Проводник это физика: Проводники и непроводники электричества — урок. Физика, 8 класс.

Содержание

Проводники и диэлектрики. Электрический ток в металлах и электролитах

Проводники и диэлектрики. Электрический ток в металлах и электролитах

Подробности
Просмотров: 430

Проводник — это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля.
В проводниках возможно возникновение электрического тока под действием приложенного электрического поля.
Все металлы, растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных — хорошие проводники электрических зарядов.

___

Изолятор ( или диэлектрик ) — тело не содержащее внутри свободные электрические заряды.
В изоляторах электрический ток невозможен.
К диэлектрикам можно отнести — стекло, пластик, резину, картон, воздух. тела изготовленные из диэлектриков называют изоляторами.
Абсолютно непроводящая жидкость – дистиллированная, т.

е. очищенная вода,
(любая другая вода (водопроводная или морская) содержит какое-то количество примесей и является проводником)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ

В металле всегда существует большое количество свободных электронов.
Электрический ток в металлических проводниках — это упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля, создаваемого источником тока.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ

Электрический ток могут проводить растворы солей и кислот, а также обычная вода ( кроме дистиллированной).
Раствор, способный проводить электрический ток, называется электролитом.
В растворе молекулы растворяемого вещества под действием растворителя превращаются в положительные и отрицательные ионы. Ионы под действием приложенного к раствору электрического поля могут перемещаться: отрицательные ионы — к положительному электроду, положительные ионы – к отрицательному электроду.

В электролите возникает электрический ток.
При прохождении тока через электролит на электродах выделяются чистые вещества, содержавшиеся в растворе. Это явление называется электролизом.
В результате действие электрического тока в электролите происходят необратимые химические изменения, и для дальнейшего поддержания электрического тока его необходимо заменить на новый.


ИНТЕРЕСНО

В 17 веке после того как Уильям Гильберт установил, что многие тела обладают способностью электризоваться при их натирании, в науке считалось, что все тела по отношению к электризации делятся на два вида: на способные электризоваться при трении, и на тела, не электризующиеся при трении.
Только в первой половине 18 века было установлено, что некоторые тела обладают, кроме того, способностью распространять электричество. Первые опыты в этом направлении были проведены английским физиком Греем. В 1729 г. Грей открыл явление электрической проводимости. Он установил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке.

По шелковой же нити электричество не распространялось. Именно Грей разделил вещества на проводники и непроводники электричества. Только в 1739г. было окончательно установлено, что все тела следует делить на проводники и диэлектрики.
___

К началу 19 века стало известно, что разряд электрических рыб проходит через металлы, но не проходит через стекло и воздух.

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ

Гальваностегия.

Покрытие предметов слоем металла при помощи электролиза называется гальваностегией. Металлизировать можно не только металлические предметы, но и предметы из дерева, листья растений, кружева, мертвых насекомых. Сначала надо сделать эти предметы жесткими, а для этого подержать их некоторое время в расплавленном воске.

Затем равномерно покрыть слоем графита ( например, потерев карандашным грифелем), чтобы сделать их проводящими и опустить в качестве электрода в гальваническую ванну с электролитом, пропуская через него некоторое время эл. ток. Через какое-то время на этом электроде выделится металл, содержащийся в растворе, и равномерно покроет предмет.

Археологические раскопки, относящиеся к временам Парфянского царства, позволяют допустить, что уже две тысячи лет тому назад производилось гальваническое золочение и серебрение изделий!

Об этом говорят и находки, сделанные в гробницах египетских фараонов.

ОПЫТЫ С ЭЛЕКТРОЛИТАМИ

1. Если взять раствор медного купороса, собрать электрическую цепь и опустить электроды ( графитовые стержни от карандаша) в раствор, то лампочка загориться. Есть ток!
Повторите опыт, заменив электрод, соединенный с минусом батарейки на алюминиевую пуговицу. Через какое-то время она станет «золотой», т.е. покроется слоем меди. Это – явление гальваностегии.

2. Нам понадобятся: стакан с крепким раствором поваренной соли, батарейка от карманного фонарика, два кусочка медной проволоки длиной примерно 10 см. Зачистите концы проволоки мелкой наждачной шкуркой.

Подсоедините к каждому полюсу батарейки по одному концу проволочек. Свободные концы проволочек опустите в стакан с раствором. Вблизи опущенных концов проволоки поднимаются пузырьки!

СДЕЛАЙ САМ !

1. Изготовьте измерительный прибор — тестер для определения, является ли вещество проводником электрического тока. Для этого нужны батарейка, лампа от карманного фонарика и соединительные провода. Замкните собранную электрическую цепь на исследуемый проводник и по наличию или отсутствию свечения лампы определите, является ли вещество проводником.

2. Продемонстрировать наличие свободных электрических зарядов в жидкости можно так: металлический чайник и алюминиевый стакан от калориметра соедините проводниками с гальванометром. В чайник налейте воду, в которой растворите немного соли. Начните тонкой струйкой переливать соленую воду из чайника в стакан, гальванометр покажет наличие электрического тока. Изменяя длину и толщину струи, проследите за изменением силы тока.

ПОЧЕМУ

При устройстве заземления хорошо провод зарыть на глубину до 2,5 м. Однако в полевых условиях

сделать это не всегда представляется возможным. Поэтому заземление часто делают в виде штыря, забитого в землю. Почему в этом случае полезно место заземления полить соленой водой?

НЕЛЬЗЯ-Я-Я !

При возникновении пожара в электроустановках нужно немедленно отключить рубильник. Огонь, вызванный током, НЕЛЬЗЯ гасить водой или обычным огнетушителем, т.к. струя воды является проводником и может снова замкнуть цепь и восстановить причину пожара. В этом случае необходимо применять сухой песок или пескоструйный огнетушитель.

ЧЕЛОВЕЧЕСКОЕ ТЕЛО — ПРОВОДНИК ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Если случайно человек окажется под напряжением, то возможна травма или даже смерть.

При работе с электроцепями НЕЛЬЗЯ :
— нельзя одновременное двумя руками прикасаться к оголенным проводам.
— нельзя прикасаться к оголенному проводу, стоя на земле или на сыром ( даже цементном или деревянном) полу.
— нельзя пользоваться неисправными электрическими приборами.
— нельзя ремонтировать электрический прибор, не отключив его от источника тока.

Первая помощь пораженному электрическим током.

Часто сам человек не может освободиться от проводов с током, т.к. электрический ток вызывает судорожное сокращение мышц, или пострадавший теряет сознание. Сначала надо отсоединить человека от токонесущих проводов. Для этого надо выключить ток или вывернуть предохранители, стоящие около счетчика. Если выключатель далеко, то надо деревянной палкой (непроводящим предметом) оттащить его от провода. Под ногами должен быть изолирующая поверхность: резиновый коврик, сухие доски или линолеум. Оттаскивать пострадавшего от проводов голыми руками можно только за концы сухой одежды и одной рукой. Нельзя касаться соединенных с землей. проводящих предметов!

Затем пострадавшего надо положить на спину и вызвать врача.

Не суй пальцы в розетку, они еще пригодятся!



Назад в раздел

Проводник в физике определение.

Что такое проводник и диэлектрик

При изучении тепловых явлений говорилось, что по способности проводить теплоту вещества делятся на хорошие и плохие проводники тепла.

По способности передавать электрические заряды вещества также делятся на несколько классов: проводники, полупроводники и непроводники электричества.

    Проводниками называют тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Хорошие проводники электричества — это металлы, почва, вода с растворёнными в ней солями, кислотами или щелочами, графит. Тело человека также проводит электричество. Это можно обнаружить на опыте. Дотронемся до заряженного электроскопа рукой. Листочки тотчас опустятся. Заряд с электроскопа уходит по нашему телу через пол комнаты в землю.

а — железо; б — графит

Из металлов лучшие проводники электричества — серебро, медь, алюминий.

    Непроводниками называют такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Непроводниками электричества, или диэлектриками , являются эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные пластмассы, шёлк, капрон, масла, воздух (газы). Изготовленные из диэлектриков тела называют изоляторами (от итал. изоляро — уединять).

а — янтарь; б — фарфор

    Полупроводниками называют тела, которые по способности передавать электрические заряды занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

В природе полупроводники распространены достаточно широко. Это оксиды и сульфиды металлов, некоторые органические вещества и др. Наибольшее применение в технике нашли германий и кремний.

Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток и являются диэлектриками. Однако при повышении температуры в полупроводнике начинает резко увеличиваться число носителей электрического заряда, и он становится проводником.

Почему это происходит? У полупроводников, таких как кремний и германий, в узлах кристаллической решётки атомы колеблются около своих положений равновесия, и уже при температуре 20 °С это движение становится настолько интенсивным, что химические связи между соседними атомами могут разорваться. При дальнейшем повышении температуры валентные электроны (электроны, находящиеся на внешней оболочке атома) атомов полупроводников становятся свободными, и под действием электрического поля в полупроводнике возникает электрический ток.

Характерной особенностью полупроводников является возрастание их проводимости с повышением температуры. У металлов же при повышении температуры проводимость уменьшается.

Способность полупроводников проводить электрический ток возникает также при воздействии на них света, потока быстрых частиц, введении примесей и др.

а — германий; б- кремний

Изменение электропроводности полупроводников под действием температуры позволило применять их в качестве термометров для замера температуры окружающей среды, широко применяют в технике. С его помощью контролируют и поддерживают температуру на определённом уровне.

Повышение электропроводности вещества под воздействием света носит название фотопроводимость . Основанные на этом явлении приборы называют фотосопротивлениями . Фотосопротивления применяются для сигнализации и в управлении производственными процессами на расстоянии, сортировке изделий. С их помощью в экстренных ситуациях автоматически останавливаются станки и конвейеры, предупреждая несчастные случаи.

Благодаря удивительным свойствам полупроводников, они широко используются при создании транзисторов, тиристоров, полупроводниковых диодов, фоторезисторов и другой сложнейшей аппаратуры. Применение интегральных микросхем в теле-, радио- и компьютерных приборах позволяет создавать устройства небольших, а порой и ничтожно малых размеров.

Вопросы

  1. На какие группы делят вещества по способности передавать электрические заряды?
  2. Какой характерной особенностью обладают полупроводники?
  3. Перечислите области применения полупроводниковых приборов.

Упражнение 22

  1. Почему заряженный электроскоп разряжается, если его шарика коснуться рукой?
  2. Почему стержень электроскопа изготавливают из металла?
  3. К шарику незаряженного электроскопа подносят тело, заряженное положительно, не касаясь его. Какой заряд возникнет на листочках электроскопа?

Это любопытно…

Способность тела к электризации определяется наличием свободных зарядов. В полупроводниках концентрация носителей свободного заряда увеличивается с ростом температуры.

Проводимость, которая осуществляется свободными электронами (рис. 43), называется электронной проводимостью полупроводника или проводимостью n-типа (от лат. negativus — отрицательный). При отрыве электронов от атомов германия в местах разрыва образуются свободные места, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырки». В области образования дырки возникает избыточный положительный заряд. Вакантное место может быть занято другим электроном.

Электрон, перемещаясь в полупроводнике, создаёт возможность заполнения одних дырок и образования других. Возникновение новой дырки сопровождается появлением свободного электрона, т. е. идёт непрерывное образование пар электрон — дырка. В свою очередь, заполнение дырок приводит к уменьшению числа свободных электронов. Если кристалл поместить в электрическое поле, то будет происходить перемещение не только электронов, но и дырок. Направление перемещения дырок противоположно направлению движения электронов.

Проводимость, которая возникает в результате перемещения дырок в полупроводнике, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа (от лат. positivus — положительный). Полупроводники подразделяют на чистые полупроводники, примесные полупроводники n-типа, примесные полупроводники р-типа.

Чистые полупроводники обладают собственной проводимостью. В создании тока участвуют свободные заряды двух типов: отрицательные (электроны) и положительные (дырки). В чистом полупроводнике концентрация свободных электронов и дырок одинакова.

При введении в полупроводник примесей возникает примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно менять и число носителей заряда того или иного знака, т. е. создавать полупроводники с преимущественной концентрацией отрицательного или положительного заряда. Примесные полупроводники n-типа обладают электронной проводимостью. Основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки.

Примесные полупроводники р-типа обладают дырочной проводимостью. Основными носителями заряда являются дырки, а неосновными — электроны.

Представляет собой соединение полупроводников р- и л-типа. Сопротивление области контакта зависит от направления тока. Если диод включить в цепь, чтобы область кристалла с электронной проводимостью n-типа была подсоединена к положительному полюсу, а область с дырочной проводимостью р-типа к отрицательному полюсу, то тока в цепи не будет, так как переход электронов из n-области в р-область затрудняется.

Если р-область полупроводника подключить к положительному полюсу, а n-область к отрицательному, то в этом случае ток проходит через диод. За счёт диффузии основных носителей тока в чужой полупроводник в области контакта образуется двойной электрический слой, препятствующий движению зарядов. Внешнее поле, направленное от р к n, частично компенсирует действие этого слоя, и при увеличении напряжения ток быстро возрастает.

Способность проводить электрический ток имеют не только металлы. При некоторых условиях эту способность приобретают тазы и жидкости.

Свойство химического элемента проводить электрический ток или быть диэлектриком (изолятором) зависит от наличия в нем свободных заряженных частиц. В металлах это электрон – частица, вращающаяся вокруг атома. Вместе электроны и атомы составляют молекулу. В молекуле водорода вокруг атома вращается один электрон. У меди их – 39.

Электроны распределяются группами на разном удалении от атомного ядра. Самая дальняя группа электронов у электропроводящих материалов имеет неустойчивую связь с ядром. При появлении электрического поля они приходят в движение и создают электрический ток.

Электрическое поле всегда распространяется со скоростью света. А вот скорость движения электронов очень мала: десятки сантиметров в секунду. Объясняется это столкновениями при движении электронов с элементами кристаллической решетки проводника. Чем больше этих столкновений, тем хуже проводит материал электрический ток.

Удельное сопротивление

Способность лучше или хуже проводить ток определяется удельным сопротивлением — ⍴ (ро). Вот удельные сопротивления некоторых металлов, применяемых в электротехнике.

Удельное сопротивление зависит от температуры. Чем она ниже, тем сопротивление меньше. Объясняется это тем, что с уменьшением температуры электроны меньше совершают хаотичных движений и меньше сталкиваются. При температуре абсолютного нуля (-273˚С) движение прекращается. У большинства материалов при этом способность проводить ток резко исчезает, но у некоторых возникает явление сверхпроводимости , когда удельное сопротивление равно нулю. При этом величина тока в проводнике ничем не ограничивается.

Сопротивление, ток и мощность

Электрическое сопротивление (R) проводника измеряется в Омах и зависит еще и от его геометрических размеров:

S – площадь сечения проводника в м 2 , l – его длина в метрах. Ток через проводник измеряется в амперах и подчиняется закону Ома для участка цепи:

U – напряжение в вольтах. Мощность , выделяющаяся на проводнике под действием электрического тока, равна:

Теперь возьмем одинаковых размеров проводники из разных материалов и будем пропускать через них один и тот же ток. Как видно из формул, чем больше у проводника удельное сопротивление, тем большая мощность выделится на нем при прохождении электрического тока.

Вот поэтому для одного и того же тока сечение алюминиевого кабеля нужно больше, чем медного. Медный нагреется до температуры, при которой расплавится изоляция, при большем токе.

Применение нихрома для изготовления нагревательных элементов объясняется его высоким удельным сопротивлением и стойкостью к расплавлению. Тугоплавкость и повышенное удельное сопротивление позволили использовать вольфрам для изготовления нитей накала электроламп.

Золото проводит ток чуть лучше алюминия, но применяется в электронике только из-за того, что не образует окислов.

Направление электрического тока

В зависимости от характера движения зарядов электрический ток разделяется на:

  • постоянный , когда движение происходит в одном направлении;
  • переменный , когда направление движения постоянно меняется.

В наших сетях ток – переменный, частотой 50 Гц. Он 100 раз в секунду изменяет направление движения на противоположное. Переменный ток имеет преимущество перед постоянным: величину напряжения можно изменять при помощи несложных устройств – трансформаторов.

Постоянный ток может быть получен из переменного и наоборот.

И напоследок – интересный казус. В электротехнике принято считать за направление постоянного тока направление движения положительных зарядов – от плюса к минусу. На самом же деле движутся отрицательно заряженные частицы – электроны. Дело в том, что ученые приняли такое направление до открытия электрона, и оно сохранилось до сих пор.

Вещества, по которым передаются электрические заряды, называют проводниками электричества.

Хорошие проводники электричества — металлы, почва, растворы солей, кислот или щелочей в воде, графит. Тело человека также проводит электричество.

Из металлов лучшие проводники электричества серебро, медь и алюминий, поэтому провода электрической сети чаще всего делают из меди или алюминия.

Вещества, по которым заряды не передаются, называют непроводниками (или изоляторами). К хорошим изоляторам относятся эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные , шелк, керосин, масла. Изоляторы (например, резиновую оболочку кабеля) применяют для изоляции проводов, по которым течет ток, от внешних предметов.

Вопросы

  1. Какие вещества называют проводниками электричества?
  2. Какие вещества называют изоляторами?
  3. Назовите проводники и изоляторы электричества.

Электрическая цепь и ее составные части

Источником электрического тока может служить батарея (гальванический элемент).

На электростанции электрический ток вырабатывают генераторы, приводимые в действие от паровых и гидравлических турбин.

Электродвигатели, лампы, плитки, работающие от электрического тока, называют приемниками или потребителями. Электрическую энергию доставляют к приемнику по проводам.

Чтобы включать и выключать в нужное время приемники электричества, применяют выключатели. Источник тока, приемники и выключатели, соединенные между собой проводами, составляют электрическую цепь.

Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой, т. е. состоять только из проводников электричества. Если в каком-нибудь месте провод оборвется или вместо него будет поставлен изолятор, ток в цели прекратится. Такую цепь называют разомкнутой.

Вопросы

  1. Какова роль источника тока в цепи?
  2. Из каких частей состоит электрическая цепь?
  3. Что такое замкнутая цепь? разомкнутая?
  4. Какие приемники или потребители вы знаете?

Электрические схемы

Изучая географию, вы пользуетесь планом и картой. На плане и карте при помощи условных топографических знаков нанесены леса, селения, горы и реки.

В электротехнике тоже применяют карту-чертеж. На таком чертеже условными обозначениями изображают источники, приемники, выключатели, провода и изделия, из которых состоит электрическая цепь, а также соединения между ними. Такой чертеж называют электрической схемой.

Зная условные обозначения (смотрите таблицу ниже), нетрудно разобраться в электрической схеме. Если на одной и той же схеме повторяются одинаковые обозначения, то около условных знаков ставят числа, а в прилагаемой к схеме табличке указывают размер, тип и назначение.

Вопросы

  1. Что представляет собой электрическая схема?
  2. Что изображают на электрической схеме?

Условные обозначения составных частей электрической цепи на схемах

«Слесарное дело», И.Г.Спиридонов,
Г.П.Буфетов, В.Г.Копелевич

В штепсельную розетку при помощи штепсельных вилок включают в электрическую цепь переносные осветительные или соединительные шнуры электробытовых приборов. В основании из изоляционного материала штепсельной розетки укреплены два латунных гнезда, к которым присоединяют провода от электрической сети. Штепсельная розетка Штепсельная вилка состоит из корпуса с отверстием для шнура. В корпусе из изоляционного материала имеются металлические втулки…


В производственных помещениях, помимо выключателей, устанавливают общие рубильники. В больших домах рубильники позволяют отключить сразу целый участок электрической сети (например, этаж или группу квартир). В школе рубильники устанавливают в распределительных закрытых щитах учебных мастерских, где они служат для включения электродвигателей различных станков. Рубильники бывают: одно-, двух- и трехполюсные. Рубильники а — однополюсный; б — двухполюсный;…

Часто приходится присоединять провода электрического шнура к патрону, выключателю, штепсельной розетке и к зажимам электроприборов. Для этого концы подключаемых проводов чаще всего заделывают кольцом, если их надевают на болты, иногда — тычком, когда их вставляют в специальные втулки и крепят винтами. Заделка концов проводов а — кольцом; б — тычком. При заделке кольцом концы проводов…


Если прибор не работает, то следует: включением настольной или специальной контрольной лампы проверить, исправна ли штепсельная розетка; при исправной розетке проконтролировать включением той же лампы, не повреждены ли шнур прибора и контакты штепсельной вилки. Если штепсельные розетка и вилка, а также шнур исправны, поврежден сам прибор. Прибор может не действовать, если перегорел нагревательный элемент или…

К основным электрическим величинам электрической цепи относятся сила тока, напряжение и сопротивление. Сила тока Под силой тока понимают электрический заряд, проходящий через поперечное сечение провода в единицу времени. Пользуясь выражениями «сила тока», «сильный ток», «слабый ток», мы должны знать, что означают эти выражения. Выражение «сильный ток» означает, что по цепи в единицу времени протекает большой…

Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Самыми хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Металлы являются проводниками как в твёрдом, так и в жидком состоянии. При прохождении электрического тока через металлические проводники не изменяются ни их масса, ни их химический состав. Следовательно, атомы металлов не участвуют в переносе электрических зарядов. Исследования природы электрического тока в металлах показали, что перенос электрических зарядов в них осуществляется только электронами.

Особенностью атомов всех металлов является малое количество электронов на внешней электронной оболочке. При соединении атомов металлов в кристалл связь между атомами устанавливается путём объединения внешних электронных оболочек. Наличие большого числа вакантных мест на внешних оболочках позволяет электронам после объединения атомов в кристалл свободно переходить от одного атома к другому. В пределах кристалла валентные электроны металлов можно рассматривать как свободные заряженные частицы.

Экспериментально обнаружено, что удельное сопротивление р металлов линейно зависит от температуры:

р = р 0 (1 + αt)

В данном уравнении р 0 – удельное электрическое сопротивление при температуре 0˚ С, t – температура проводника по шкале Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления, р – удельное сопротивление при температуре t. Возрастание удельного сопротивления проводников с повышением температуры объясняется тем, что валентные электроны атомов металлов могут свободно переходить с оболочки одного атома на оболочку другого атома только при определённых расстояниях между центрами атомов, когда их валентные оболочки перекрываются. В результате теплового движения атомы в кристалле колеблются относительно равновесных положений. Смещение атомов от равновесных положений нарушает перекрывание их электронных оболочек и затрудняет переходы электронов от атома к атому. Чем выше температура кристалла, тем больше амплитуда тепловых колебаний атомов, больше нарушений в расположении атомов в кристалле, больше препятствий для движения электронов.

При приближении температуры металлического проводника к абсолютному нулю количество дефектов в кристаллической решётке, создаваемых тепловым движением атомов, стремится к нулю, поэтому и удельное сопротивление проводника приближается к нулю.

Однако у некоторых металлов удельное электрическое сопротивление падает до нуля при температуре выше абсолютного нуля. Это явление называется сверхпроводимостью. Например, удельное сопротивление ртути становится равным нулю при температуре 4,2 К.

При создании электрического тока в кольце из сверхпроводника сила тока остаётся неизменной неограниченно долго, так как нет потерь на нагревание проводника.

К настоящему времени созданы материалы, переходящие в сверхпроводящее состояние при сравнительно высокой температуре около 100 К (-173˚ С).

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

В электричестве выделяют три основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Основным их отличием является возможность проводить ток. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле.

Что такое проводник

Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.

Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.

Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.

Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.

Что такое полупроводник

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.

Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.

Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Презентация на тему: » Проводники и диэлектрики в электростатическом поле в электростатическом поле Проводники и диэлектрики в электростатическом поле.» — Транскрипт:

1

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле в электростатическом поле Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

2

Проводники в электростатическом поле Проводники в электростатическом поле Диэлектрики в электростатическом поле Диэлектрики в электростатическом поле

3

— металлы; — жидкие растворы и расплавы электролитов; — плазма. Проводники – это вещества, в которых имеются свободные носители электрических зарядов. К проводникам относятся: Проводники в электростатическом поле Проводники в электростатическом поле

4

При внесении проводника в электростатическое поле свободные заряды в нем приходят в движение в направлении против силовых линий. В результате на одном конце проводника возникает избыток отрицательного заряда, на другом его недостаток, а значит избыток положительного заряда. В результате на одном конце проводника возникает избыток отрицательного заряда, на другом его недостаток, а значит избыток положительного заряда. Евнеш Проводники в электростатическом поле Проводники в электростатическом поле

5

Эти заряды создадут свое собственное электрическое поле, которое направлено против внешнего. Внутреннее поле ослабит внешнее. Свободные электроны будут продолжать двигаться и увеличивать внутреннее поле до тех пор, пока оно полностью не погасит внешнее. Е внеш Е внутр Проводники в электростатическом поле Проводники в электростатическом поле

6

Поле внутри проводника, помещенного в электростатическое поле, отсутствует. Поле внутри проводника, помещенного в электростатическое поле, отсутствует. Е внеш Е внутр Проводники в электростатическом поле Проводники в электростатическом поле

7

Проводники в электростатическом поле Проводники в электростатическом поле Электростатические свойства однородных металлических проводников. 1. При помещении проводника во внешнее электростатическое поле наблюдается явление электростатической индукции – появление на противоположных сторонах проводника электрических зарядов разных знаков. 2. Внутри проводника электрический заряд отсутствует; весь статический заряд проводника, полученный им при электризации, может располагаться только на его поверхности. 3. Электрические заряды распределяются по поверхности проводника так, что электростатическое поле оказывается сильнее на выступах проводника и слабее на его впадинах. 4. Если внутри проводника имеется полость, то в каждой точке этой полости напряженность электростатического поля равно нулю (теорема Фарадея). 5. Напряженность электростатического поля на внешней поверхности проводника направлена перпендикулярно к этой поверхности. 6. Во всех точках внутри проводника потенциал электростатического поля имеет одно и то же значение. 7. Если заряженный проводник имеет форму шара или сферы радиусом R, то напряженность и потенциал создаваемого им поля определяются выражениями:

8

Диэлектрики полярныенеполярные + + Диэлектрики – это материалы, в которых нет свободных электрических зарядов. К диэлектрикам относятся воздух, стекло, эбонит, слюда, фарфор, сухое дерево. Диэлектрики Диэлектрики в электростатическом поле Диэлектрики в электростатическом поле

9

полярныенеполярные Диэлектрики в электростатическом поле Диэлектрики в электростатическом поле

10

полярныенеполярные Диэлектрики в электростатическом поле Диэлектрики в электростатическом поле

11

Поляризация диэлектрика – это смещение в противоположные стороны разноименных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества. Диэлектрическая проницаемость среды – это физическая величина, показывающая, во сколько раз модуль напряженности электрического поля внутри однородного диэлектрика меньше модуля напряженности поля в вакууме. Е0Е0 Е ε =ε =ε =ε = Диэлектрики в электростатическом поле Диэлектрики в электростатическом поле

Что такое проводники и диэлектрики

Проводники это вещества, имеющие в своей структуре массу свободных электрических зарядов, способных перемещаться под воздействием внешней силы по всему объёму материала.

К группе проводников в электростатическом поле относят металлы и их соединения, некоторые виды электротехнического угля, растворы солей (кислот, щелочей), ионизированные газы.

Лучшим проводящим материалом считается металл, например, золото, платина, медь, алюминий. К неметаллическим веществам, проводящим ток, относится углерод.

Проводник

Диэлектрики – вещества, противоположные по своим свойствам проводникам. При отсутствии нагревания заряженные частицы в нейтральном атоме тесно взаимосвязаны и не могут осуществлять движения в объеме материала. В связи с этим электрический ток в непроводнике протекать не может.

Диэлектрик

К материалам, непроводящим электрический ток, относят: керамику, резину, бумагу, стекло, фарфор, смолу, сухую древесину. Лучшим диэлектриком считается газ. Качества диэлектриков зависят от температуры и влажности среды, в которой они находятся.

Проводники и диэлектрики активно используют в электротехнической области. Пример – материалом, из которого производят провода (кабели), служат проводники, изготовленные из металла. Изолирующие оболочки для них производят из диэлектриков – полимеров.

Свойства материалов

Лучшими считаются проводники, сырьем для производства которых послужило серебро, золото или платина. Повсеместное их использование ограничивается только большой стоимостью материала. Такие изделия нашли применение в оборонной и космической промышленности

В этих сферах важно обеспечение самого высокого качества оборудования, независимо от его стоимости

Гораздо шире область применения медных и алюминиевых материалов. Невысокая стоимость и отличные проводящие качества позволили использовать их во многих отраслях хозяйствования.

В диэлектриках повышение температуры может приводить к возникновению свободных электрических зарядов. Это электроны, оторвавшиеся от ядра из-за температурных колебаний. Обычно это небольшое количество свободных зарядов. Но существуют изоляторы, в которых это число достигает существенных размеров. В этом случае изоляционные качества диэлектрика ухудшаются.

Обратите внимание! Надежным считается диэлектрик, если возникающий в нём небольшой ток утечки не мешает работе всей системы. Лучшим диэлектриком считается абсолютный вакуум, а также полностью очищенная вода

Но таковых в природе не найти, а создать их искусственным путём очень сложно. Включение в жидкость любой примеси обеспечивает ей проводящие качества

Лучшим диэлектриком считается абсолютный вакуум, а также полностью очищенная вода. Но таковых в природе не найти, а создать их искусственным путём очень сложно. Включение в жидкость любой примеси обеспечивает ей проводящие качества.

Три опыта для демонстрации проводимости различных веществ

Рассмотрим три опыта, которые продемонстрируют нам то, как различные вещества могут по-разному пропускать электрические заряды.

Первый эксперимент

Возьмём два электрометра. Один из них зарядим, а второй, наоборот, разрядим. Разрядить электрометр с небольшим зарядом просто – достаточно прикоснуться к нему рукой: наша кожа является неплохим проводником, поэтому заряд с шара электрометра перейдёт к нам. Однако будьте ОСТОРОЖНЫ! Благодаря тому, что кожа является хорошим проводником, человек подвержен опасности при контакте с носителями большого электрического заряда.

Теперь возьмём провод на изолированной пластмассовой ручке (изолирует руку от металлической проволоки) – и прикоснёмся к шарам этих электрометров. При этом стрелка второго электрометра практически моментально отклонится от вертикального положения

Обратим внимание на то, как быстро произошло протекание заряда от одного электрометра к другому. Это говорит о том, что металлы – очень хорошие проводники

Необходимо отметить тот факт, что металлы тоже обладают разной проводимостью. Наиболее хорошо проводят электрические заряды такие металлы, как серебро, медь и алюминий.

Второй эксперимент

Сообщим дополнительный заряд первому электрометру и разрядим второй электрометр.

Теперь возьмём деревянную линейку и положим её на два электрометра. Что при этом произойдёт? Для чистоты эксперимента изолируем линейку от руки с помощью, к примеру, листа бумаги.

Мы видим, что стрелка второго электрометра отклоняется не так резко, как в первом эксперименте, а постепенно. Это означает, что электрические заряды по дереву тоже проходят, то есть дерево можно считать проводником. Но, естественно, его свойства проводимости отличаются от свойств металлов. Следовательно, можно говорить о том, что такие вещества, как дерево и металл, существенно отличаются своей проводимостью.

Третий эксперимент

В третьем эксперименте мы пронаблюдаем за тем, как ведут себя диэлектрики.

Для этого повторим эксперимент следующим образом: разрядим второй электрометр и сообщим дополнительный заряд первому электрометру.

Затем возьмём стеклянную палочку и потрём её о бумагу. В результате взаимодействия происходит разделение электрического заряда, то есть электризация. При этом само стекло не является проводником, то есть стекло плохо пропускает электрический заряд. Теперь приложим палочку к обоим электрометрам.

В данном случае мы наблюдаем следующее: после прикосновения палочки к шарам электрометров совершенно ничего не происходит. То есть второй электрометр остаётся незаряженным. Это означает, что стекло у нас не пропускает электрические заряды.

Немаловажным является тот факт, что важное значение для проводимости некоторых веществ имеет состояние окружающей среды. Например, если повышается влажность воздуха (о которой мы говорили в предыдущей теме), то в этом случае многие вещества будут вести себя, как проводники

Наглядной демонстрацией этого может служить молния. Ведь молния обычно наблюдается тогда, когда идёт дождь, то есть влажность максимальна. Соответственно, во влажном воздухе начинает проходить электрический заряд, то есть электрический заряд идёт по воздуху (газу). Хотя в обычной ситуации воздух не проводит электрический заряд. То есть воздух становится проводником именно в том случае, когда изменилась влажность. Можно и привести и другие примеры, подтверждающие влияние влажности на проводимость материалов.

На следующем уроке мы познакомимся с вопросами, связанными с зарядами: какие заряды существуют и существует ли минимальный электрический заряд.

Список литературы

  1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
  2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
  3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Фестиваль педагогических идей «открытый урок» (Источник).
  2. Интернет-портал Works.tarefer.ru (Источник).
  3. Уроки (Источник).

Домашнее задание

  1. П. 27, вопросы 1–4. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
  2. Каким свойством должны обладать нити, на которых подвешиваются заряженные тела при экспериментах по электричеству?
  3. Почему стрелка электроскопа отклоняется, когда электроскоп заряжают? Зависит ли отклонение от знака заряда?
  4. Как можно опытным путём отличить проводник от диэлектрика?

§ 5. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Как нам уже известно, проводник представляет собой тело, которое содержит большое число свободных электронов, заряды которых компенсируются положительными зарядами ядер атомов. Если металлический проводник поместить в электрическое поле (рис. 12), то под влиянием сил поля свободные электроны проводника придут в движение в сторону, противоположную направлению сил поля. В результате этого на одной стороне проводника возникает избыточный отрицательный заряд, а на другой стороне проводника — избыточный положительный заряд.

Рис. 12. Проводник в электрическом поле

Разделение зарядов в проводнике под влиянием внешнего электрического поля называется электризацией через влияние, или электростатической индукцией, а заряды на проводнике — индуцированными зарядами.

Индуцированные заряды проводника создают добавочное электрическое поле, направление которого противоположно внешнему полю.

Результирующее электрическое поле внутри проводника уменьшается, а вместе с ним уменьшаются силы, действующие на перераспределение зарядов. Движение зарядов в проводнике прекратится, когда напряженность поля, вызванного индуцированными зарядами проводника εп, станет равной напряженности внешнего поля εвн, а результирующая напряженность поля внутри проводника будет равна нулю.

Как было указано выше, диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных электронов (точнее, весьма малым количеством свободных электронов). Электроны атомов диэлектрика прочно связаны с ядром атома.

Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенная разница. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов произойти не может. Но в пределах каждой молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль направления электрического поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате на поверхности диэлектрика возникнут электрические заряды.

Рассматриваемое явление называется поляризацией диэлектрика.

Различают диэлектрики двух классов. У диэлектриков первого класса молекула в нейтральном состоянии имеет положительный и отрицательный заряды, настолько близко расположенные один к другому, что действие их взаимно компенсируется. Под влиянием электрического поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь* (рис. 13).

* ()

Рис. 13. Электрические заряды молекул диэлектрика: а — без внешнего поля, б — при наличии поля

У диэлектриков второго класса молекулы и в отсутствие электрического поля образуют диполи. Такие диэлектрики называются полярными. К ним относятся вода, аммиак, эфир, ацетон и т. д. У таких диэлектриков при отсутствии электрического поля диполи в пространстве расположены хаотически, и вследствие этого результирующее электрическое поле вокруг полярного диэлектрика равно нулю. Под действием внешнего электрического поля молекулы (а стало быть, и диполи) стремятся повернуться так, чтобы их оси совпали с направлением внешнего поля. С устранением электрического поля поляризация диэлектрика исчезает. Таким образом, поляризация представляет собой упругое смещение электрических зарядов в веществе диэлектрика.

При некоторой определенной величине напряженности электрического поля смещение зарядов достигает предельной величины, после чего происходит разрушение — пробой диэлектрика, в результате которого диэлектрик теряет свои изолирующие свойства и становится токопроводящим.

Напряженность электрического поля, при которой наступает пробой диэлектрика, называется пробивной напряженностью εпр. Напряженность поля, допускаемая при работе диэлектрика εдоп, должна быть меньше пробивной напряженности. Отношение

называется запасом прочности.

Приведем значения пробивной напряженности (в кв/мм) для некоторых диэлектриков:

Зависимость сопротивления проводника от частоты тока

При воздействии электрического тока индукция магнитного поля происходит внутри прямолинейного проводника и в окружающем его пространстве. Магнитные линии образуют концентрические окружности.

Распределение переменного тока по сечению

Если проводник с током условно разбить на несколько параллельных друг другу нитей тока, то можно установить, что, чем ближе токовая нить находится к оси проводника, тем больший замыкающийся внутри магнитный поток её охватывает. Индуктивность нити и индуктивное сопротивление находятся в пропорциональной зависимости от магнитного потока, с нею связанного.

В связи с этим в нитях с переменным током, находящихся внутри проводящего вещества, возникает большее индуктивное сопротивление, чем в нитях, находящихся снаружи. Образуется неравномерность тока по сечению, возрастающая от оси к поверхности проводника, чем и объясняется увеличение сопротивления проводников переменному току. Это явление называется поверхностным эффектом.

Из-за неравномерного распределения плотности тока происходит увеличение сопротивления проводника. При небольшой частоте в 50 Гц и малом сечении медного провода явление поверхностного эффекта почти незаметно. При значительном увеличении частоты и сечения проводника из железа это явление будет более активным.

Обратите внимание! Чем выше частота тока в цепи, тем ближе к поверхности проводника находятся электрические заряды, и тем больше возрастает его сопротивление

Электричество и магнетизм

Электричество известно с давних времён, но иных сведений, кроме признания существования, о явлении не приводилось. Узнали лишь, что статический заряд удаётся получить трением, и дело застопорилось. Сложно сказать, что открыто раньше, но геологи считают, что магнетизм известен людям по крайней мере с V века до нашей эры. Находки указывают, что намагниченные куски породы использовались в неизвестных целях на территории современной Турции.

Известно, что систематизация данных по магнетизму началась раньше. Первопроходцем стал известный ныне, благодаря единственному документу, Перегрин. В 1269 году он написал манускрипт, где описал и систематизировал данные по магнитам, предложил методику ориентации для путешественников в пространстве. С латинского «перегринус», «пилигрим» – путешественник. Уже в первые века нашей эры свойство магнита активно эксплуатировалось китайскими мореходами. Перегрин вскрывал ряд свойств:

  1. Магнит всегда располагается по направлению с севера на юг. Следовательно, обнаруживает два полюса. Одноименные отталкиваются, а разноимённые притягиваются.
  2. Если магнит разломить пополам, получается два совершенно отдельных куска, обладающие в полной мере свойствами первоначального. Получить полюс по отдельности простыми средствами не получится.

Что касается электричества, физики отдают несомненный приоритет Гильберту. Этот человек создал трактат, где собрал и систематизировал имеющиеся данные, много экспериментировал самостоятельно. Гильберт, по странному совпадению занялся сравнением магнетизма и электричества. К 1600 году никто не задумывался о связи материй и ничего не мог доказать. Гильберт установил, что электричество – в его понимании – считается слабой субстанцией: заряд легко смывается водой, экранируется и характеризуется малой силой взаимодействия

Для теории и будущих поколений сделал важное наблюдение:

  • Магнитный шар из руды – Гильберт назвал его Тереллой – ведёт себя подобно Земному в смысле действия на стрелку компаса.
  • Электрическое взаимодействие распространяется по прямой. Следовательно, Гильберт оказался первым, кто правильно охарактеризовал силовые линии поля.

Два века понадобилось человечеству, чтобы подобный эффект обнаружить в проводе с током. Сказанное приводит к выводу, что исследования тормозились, вдобавок к инквизиции, отсутствием генератора электричества – не с чем проводить эксперименты. Тереть янтарь шерстью утомительно и малоэффективно. Иллюстрации Гильберта (см. рис.) подтолкнули исследователей к изучению структуры силовых линий, что в будущем помогло объяснить поведение диэлектриков и проводников в магнитном поле.

Гильберту приписывают первую систематизации материалов. Он искал вещества, демонстрирующие способности к электризации, составил списки отличающихся. В последний класс попало большинство металлов, в первый – диэлектрики. Сегодня установлено, что статический заряд распределить возможно практически на любом теле. Но трением приобретают необычные свойства преимущественно диэлектрики. Таким образом, Гильберт первым систематизировал материалы, хотя на момент 1600 года не смог дать удовлетворительные объяснения.

Считается, что первый электростатический генератор изобрёл Отто фон Герике. Серный шар, вращающийся на железной оси, натирали ладонями, наблюдая искры электрического разряда. Герике обнаружил перераспределение статического электричества по поверхности различных тел. На основе созданного генератора стали ставить опыты, к середине XVIII века материалы оказались поделены на классы (проводники и диэлектрики) и по знаку получаемого трением заряда. Появилось смоляное (отрицательное) и стеклянное (положительное) электричество.

Дальнейшие эксперименты позволили при помощи крутильных весов (на тонкой нити) установить закон притяжения и отталкивания между зарядами. Это сделал Шарль Кулон. Он описал количественно силу взаимодействия, подтвердив предположение Гильберта о линейности силовых линий электрических зарядов. На это ушло без малого два века. Закон Кулона позволил учёным дать первые объяснения касательно поведения диэлектриков и проводников в электрическом поле. Уже тогда присутствовало любопытное приспособление, способное удивить и скептика…

Проводник

Иная картина сложится с проводниками. Если проводники электрического тока внести в электростатическое поле, в нем возникнет кратковременный ток, так как действующие на свободные заряды электрические силы будут способствовать возникновению движения. Но также всем известен закон термодинамической необратимости, когда любой макропроцесс в замкнутой системе и движение должны в итоге закончиться, а система уравновеситься.

Проводник в электростатическом поле — это тело из металла, где электроны начинают движение против силовых линий и начнут накапливаться слева. Проводник справа потеряет электроны и получит положительный заряд. При разделении зарядов он обретет свое электрическое поле. Это называется электростатической индукцией.

Внутри проводника напряженность электростатического поля нулевая, что легко доказать, двигаясь от обратного.

Демонстрация работы электрометра

Как же устроен электрометр? Практически так же, как и электроскоп.

В верхней части электроскопа располагается шар (специально делается таким образом, чтобы можно было на нём разместить как можно большее количество зарядов). Металлический стержень проходит через пластмассовую пробку внутри металлического корпуса, который с двух сторон защищён стёклами. В нижней части стержня укреплена стрелка.

Стрелка, получая заряд от металлического стержня, знак которого совпадает с зарядом стержня, отталкивается, и по отклонению этой стрелки от вертикали можно судить о величине электрического заряда. Как видно на рисунке, в электрометре есть некая шкала, которая позволяет по углу отклонения стрелки судить о величине электрического заряда.

Рассмотрим действие электрометра.

Возьмём стеклянную палочку, потрём её о бумагу, чтобы в результате трения она стала наэлектризованной. Поднесём теперь палочку к шару электрометра, в результате заряд палочки передаётся шару электрометра, от которого получает заряд металлический стержень и стрелка электрометра. Поскольку стержень и стрелка обладают одноимённым зарядом, то стрелка отклоняется от стержня, тем самым демонстрируя нам наличие электрического заряда (Рис. 6).

Рис. 6. Принцип работы электрометра (Источник)

Итак, мы рассмотрели устройство электрометра и электроскопа – простейшие приборы, которые можно использовать для регистрации и оценки величины электрического заряда

Обратите внимание, что по отклонению стрелки можно судить о величине электрического заряда. Грубо говоря, электрометр – это электроскоп со шкалой

Именно благодаря этому усовершенствованию Ломоносов и использовал электрометр для изучения электрических явлений.

Формула определения длины проводника

Найти длину проводника можно путём непосредственного его измерения, например, рулеткой. Если предстоит подсчитать протяженность скрытой электропроводки в жилище, нужно учесть, что прокладывают её обычно горизонтально по стенам на расстоянии 15-20 см от потолка. Вертикально, под прямым углом, делают опуски на выключатели и розетки. Если проводник труднодоступен (заземляющие проводники), либо длина его велика, этот метод может оказаться сложно выполнимым.

Тогда длина проводника определяется другим способом. Для этого необходимо подготовить:

  • строительную рулетку,
  • тестер,
  • штангенциркуль,
  • таблицу электропроводности металлов.

Сначала нужно измерить сопротивление отдельных участков электропроводки. Далее определить сечение провода и материал, из которого он изготовлен. Обычно в быту используются алюминиевые или медные проводящие материалы.

Из формулы определения сопротивления (R = r * L * s) находят длину проводника по формуле:

L = R / r*s,

где:

  • L – длина провода,
  • R – его сопротивление,
  • r – удельное сопротивление материала (для меди составляет от 0,0154 до 0,0174 Ом, для алюминия – от 0,0262 до 0,0278 Ом),
  • s – площадь поперечного сечения провода.

Рассчитывают сечение провода:

S = π/4 * D2,

где:

  • π – число, приблизительно равное 3,14;
  • D – диаметр, замеряемый штангенциркулем.

Если необходимо найти длину провода, смотанного в бухту, определяют длину одного витка в метрах и умножают на число витков.

Если катушка круглого сечения, измеряют её диаметр, умножают на число π и на количество витков:

L = d * π * n,

где:

  • d – диаметр катушки,
  • n – число витков провода.

Поведение проводника в электрическом поле

Деление на проводники, полупроводники и диэлектрики условное. Нет чёткой границы, градация ведётся по удельной проводимости веществ. Проводники хорошо проводят ток, диэлектрики практически лишены указанного качества.

Рассмотрим случай однородного поля с прямыми и параллельными друг другу силовыми линиями, как в большинстве учебников физики. Помещённый в постоянное поле металл начинает заряжаться статическим электричеством, как описано выше. Смысл: линии напряжённости идут в направлении, куда двигался бы положительный заряд – так решил Франклин. Но электроны отрицательны, плывут против течения.

В результате на образце проводника со стороны истока поля скапливается избыток носителей со знаком минус. А противоположный конец металла положителен. Процесс происходит так:

  1. Поле проникает внутрь металла.
  2. Проводник полон свободных носителей заряда, двигающихся вдоль силовых линий.
  3. Процесс перераспределения идёт, пока собственное поле электронов и свободных орбит атомов не уравновесит внешнее воздействие.
  4. На этом влияние постоянного электрического поля исчерпывается.

Особенности поведения заряда

Заряд проводника скапливается на поверхности. Кроме того, он распределяется таким образом, что плотность заряда ориентируется на кривизну поверхности. Здесь она будет больше, чем в других местах.

Проводники и полупроводники имеют кривизну больше всего на остриях угла, кромках и закруглениях. Здесь же наблюдается и большая плотность заряда. Наряду с ее увеличением растет и напряженность рядом. Поэтому здесь создается сильное электрическое поле. Появляется коронный заряд, из-за чего стекаются заряды от проводника.

Если рассмотреть проводник в электростатическом поле, у которого изъята внутренняя часть, обнаружится полость. От этого ничего не изменится, потому что поля как не было, так и не будет. Ведь в полости оно отсутствует по определению.

Проводники

Проводники имеют частично заполненную валентную зону, которая перекрывается с зоной проводимости. Это приводит к способности валентных электронов свободно перемещаться в кристалле или направлено двигаться под действием внешнего поля. Отсутствие запрещенной зоны у металлов объясняется тем, что в их кристаллах s- и p-зоны перекрываются, а количество валентных электронов чрезвычайно мало по сравнению с числом свободных орбиталей в валентной зоне.

Спаренные электроны валентной зоны могут свободно переходить с нижних энергетических уровней на свободные уровни, в том числе и на свободные уровни зоны проводимости. Это обеспечивает высокую электропроводность металлов. Наибольшую электропроводность, с точки зрения зонной теории, имеют металлы, в которых количество электронов в валентной зоне равно числу электронных уровней в зоне проводимости. При этом условии все электроны могут переходить в квазисвободное состояние и участвовать в переносе электричества. К металлам с высокой электропроводностью принадлежат щелочные металлы (Li, Na, K), d-металлы I группы (Cu, Ag, Au), а также металлы II группы (Mg, Ca, Sr, Zn, Cd, Hg), в которых наблюдается перекрытие валентной зоны и зоны проводимости.

Электрические явления в средах 10 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Электрические явления в средах.

Среды – это макроскопические тела, состоящие из миллиардов заряженных частиц.

 

Можно выделить три главные группы сред:

1. Проводники

2. Диэлектрики

3. Полупроводники

1. Проводники – вещества, в которых имеется большое число свободных заряженных частиц. В проводниках может наблюдаться направленное движение этих свободных заряженных частиц – электрический ток.

При помещении проводника во внешнее электрическое поле, свободные носители зарядов начинают двигаться и на одном конце проводника скапливается отрицательный заряд, а на другом – положительный. Эти заряды создают свое поле, которое в точности компенсирует внешнее поле. В результате, в проводнике электрическое поле равно нулю.

Проводниками являются металлы, полуметаллы, уголь, графит, ртуть, растворы солей.

Из проводников сделаны провода.

2. В диэлектриках число свободных заряженных частиц пренебрежимо мало. Диэлектрики не проводят электрический ток.

Отдельные заряженные частицы в диэлектриках соединены в более крупные цастицы (молекулы), которые, в целом, электрически нейтральны. Эти молекулы можно представить как диполи.

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле, диполи выстроятся по внешнему полю.

Это явление, в котором диполи выстраиваются во внешнем поле называется поляризацией диэлектрика. Диэлектрик уменьшает внешнее электрическое поле, но не до нуля.

К диэлектрикам относят стекло, керамику, текстолит, сухое дерево, каучук и др.

Из диэлектриков делают изоляцию проводов.

3. Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Одно и то же вещество в разных условиях может вести себя и как проводник, и как диэлектрик. Например, дистиллированная вода является диэлектриком, а вода с примесями, особенно соленая, – проводник.

Сила тока

Для количественного описания тока используют понятие силы тока. Силой тока (I) называется отношение заряда (q), который протекает через поперечное сечение проводника за некоторое время (t) к этому промежутку времени.

О природе электрического тока и основах электротехники / Хабр

В данной короткой статье попытаюсь на пальцах объяснить основы электротехники. Для тех, кто  не понимает откуда в розетке электричество, но спрашивать вроде как уже неприлично.  

1. Что такое электрический ток.
«Главный инженер повернул рубильник, и электрический ток все быстрее и быстрее побежал по проводам» (с)  

1.1 Пара общих слов по физике вопроса  
Электрический ток — это движение заряженных частиц. Из заряженных частиц у нас имеются электроны и немножко ионы. Ионы — это атомы, которые потеряли или приобрели один или несколько электронов и поэтому потеряли электрическую нейтральность, приобрели электрический заряд.  Так-то атом  электрически нейтрален — заряд положительно заряженного ядра компенсируется зарядом электронной оболочки.  Ионы обычно являются переносчиком заряда в электролитах, в металлических проводах носителями являются электроны. Металлы хорошо проводят ток, потому что некоторые электроны могут перескакивать от одного атому к другому. В непроводящих материалах электроны привязаны к своему атому и перемещаться не могут. (Напомню,  данная статья — это объяснение физики на пальцах! Подробнее искать по  «электронная теория проводимости»).

Будем рассматривать ток в металлических проводниках, который создаётся электронами. Можно провести аналогию между электронами в проводнике  и  жидкости в водопроводной трубе. (На начальном этапе электричество так и считали особой жидкостью.) Как через стенки трубы вода не выливается, так и электроны не могут покинуть проводник, потому что положительно заряженные ядра атомов притянут их обратно. Электроны могут перемещаться только в внутри проводника.

1.2 Создание электрического тока.  
Но просто так ток в проводнике не возникнет.  Это все равно, что залить воду в кусок трубы и заварить с обоих концов. Вода никуда не потечет.  В куске проводника электроны тоже не могут двигаться в одном направлении. Если электроны почему-то сдвинутся вправо, то слева возникнет нескомпенсированный положительный заряд, который потянет их обратно.  Поэтому электроны могут только прыгать от одного атома к другому и обратно.  Но если трубу свернуть в кольцо, то вода уже может течь вдоль трубы, если каким-то образом  заставить ее двигаться. Точно также и концы проводника можно соединить друг с другом, и тогда электроны смогут перемещаться вдоль проводника, если их заставить.  Если концы проводника соединены друг с другом, то получается замкнутая цепь. Постоянный ток может идти только в замкнутой цепи. Если цепь разомкнута, то ток не идет. Чтобы заставить воду течь по трубе используется насос. В электрической цепи роль насоса выполнят батарейка. Батарейка гонит электроны по проводнику и тем самым создает электрический ток. По научному батарейка называется генератором. Так в электротехнике называют насос для создания электрического тока.

Бывают два типа генераторов — генератор напряжения и генератор тока.
Это фундаментальная вещь на самом деле, обратите внимание!   См. рисунок ниже

рис 1. Генератор напряжения величиной Uрис 2. Генератор тока  величиной I

   


На верхней картинке изображен генератор напряжения, на нижней — генератор тока. Насос -генератор напряжения создает постоянное давление, насос-генератор тока создает постоянный поток.  Верхняя цепь разомкнута, и нижняя — замкнута. Рассмотрим, какими свойствами обладает генератор напряжения.  Представим следующую цепь 

рис 3. Генератор напряжения величиной U с нагрузкой R1

 

 
В терминах водопроводной аналогии, генератор -это насос, создающий постоянное давление, выключатель SW1 — это клапан, открывающий\перекрывающий трубу, сопротивление R1 — это кран\вентиль который насколько-то приоткрыт. Этот крантель можно прикрыть  — сопротивление увеличится, поток воды уменьшится. Можно открыть побольше — сопротивление уменьшится, поток воды увеличится.  Вроде все интуитивно понятно. Теперь представим, что мы открываем кран все больше и больше. Тогда поток воды будет увеличиваться и увеличиваться. При этом генератор напряжения по определению поддерживает напряжение (давление) постоянным, независимо от величины потока! Если кран открыть полностью и сопротивление станет равно 0, то поток станет равным бесконечности. При этом генератор все равно будет выдавать напряжение равное U! Конечно все это происходит в идеальной модели, когда   мощность генератора бесконечна. Реальные генераторы (батарейки или аккумуляторы) примерно соответствуют этой модели в определенном диапазоне напряжений и токов.  

Рассмотрим теперь цепь с генератором тока. 

рис 4. Генератор тока величиной I с нагрузкой R2


Что делает генератор тока? Он гонит ток! Ему сказано гнать ток величиной I, и он его гонит, невзирая на величину сопротивления (насколько открыт кран). Открыт кран полностью — ток будет равен I. Напряжение (давление) будет равно.
Закрыт кран полностью — ток все равно будет равен I! Но при этом напряжение (давление) будет равно бесконечности. Опять таки в модели.
Из этих рассуждений интуитивно понятно вытекает основной закон электротехники — Закон Ома. ( «С красной строки. Подчеркни» (с))

  2. Закон Ома.

  Сначала c точки зрения генератора напряжения

Если к сопротивлению R приложить напряжение U, то через сопротивление пойдет ток
I =U/R
  Теперь с точки зрения генератора тока

Если через сопротивление R пропускать ток I, то на сопротивлении возникнет падение напряжения U=I*R

  Вот как-то надо этот момент осознать.  Эти две формулировки совершенно равноправны и применение их зависит только от того, какой генератор рассматривается. Можно конечно еще записать R=U/I. Что-то вроде — если к участку цепи приложено напряжение U, и при этом в этом участке проходит ток I, то цепь имеет сопротивление R.   Дальше по хорошему надо рассматривать варианты цепей с параллельным или последовательным включением резисторов, но неохота. Это чисто технические моменты. Что-то вроде

рис 5. Последовательное включение резисторов

Через данную цепь из последовательно соединенных резисторов R1 и R2 проходит ток величиной I.  Какое падение напряжения будет на каждом резисторе U1 и U2?    
Используйте закон Ома и все!  
Эта цепь кстати с генератором тока, поскольку входная переменная здесь ток. Ну то есть самого генератора тока может и не быть, просто ток в цепи известен и считается постоянным и равным I. Поэтому как бы этот ток гонит генератор тока.
Еще — говорят «падение напряжения на резисторе», потому что «производит» напряжение (давление) генератор, а после каждого резистора напряжение будет уменьшаться, падать на этом резисторе на величину U=I*R.

Хотя пару важных практических случаев все таки рассмотрим.

1. Самая важная схема.  
Самая важная схема, с которой инженеру-электронщику предстоит иметь дело постоянно на протяжении всей жизни — это делитель напряжения.
( «С красной строки. Подчеркни» (с))

3. Делитель напряжения      
Схема имеет вид.    

рис 6. Делитель напряжения


Делитель напряжения представляет собой два резистора, соединенных последовательно друг с другом.

Кстати, резистором называется электронный компонент (деталька), которая реализует электрическое сопротивление определенной величины . Его также (детальку) часто называют сопротивлением. Получается немного тавтология — сопротивление имеет сопротивление R. Поэтому для деталей лучше использовать название резистор. Резистор сопротивлением 1 килоом, например.

Так вот. Что же делает эта схема? Два последовательных резистора имеют некоторое эквивалентное сопротивление, назовем его R12. По цепи проходит ток I, от плюса генератора к минусу через резистор R1 и через резистор R2. При этом на резисторе R1 падает напряжение U1=I*R1, а на резисторе R2 падает напряжение U2=I*R2. Согласно закону Ома. Напряжение U=U1+U2, как видно из схемы. Таким образом U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2).
То есть эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их сопротивлений.
Выражение для тока I=U/(R1+R2)
Найдем теперь, чему равно напряжение U2. U2=I*R2= U* R2/(R1+R2).

Пример картинки из интернета. Если резисторы равны, то входное напряжение Uвx делится пополам.

Второй важный случай — учет выходного сопротивления источника (генератора) и входного сопротивления приемника (цепи, к которой генератор подключен)

рис 7. Выходное сопротивление источника и входное сопротивление приемника.

Идеальный генератор напряжения имеет нулевое выходное сопротивление, то есть при нулевом сопротивлении внешней цепи величина тока будет равна бесконечности ∝. Реальный генератор напряжения обеспечить бесконечный ток не может. Поэтому при замыкании внешней цепи ток в ней будет ограничен внутренним сопротивлением генератора, на рис. обозначен буквой r.

Кстати, правильный способ проверки пальчиковых батареек, заключается в измерении тока, которые они могут отдать. То есть на тестере выставляется предел 10А, режим измерения тока, и щупы прикладываются к контактам батареи. Ток в районе 1А или больше говорит о том, что батарейка свежая. Если ток меньше 0.5А, то можно выкидывать. Или попробовать в настенных часах, может сколько-то проработает.

Если выходное сопротивление источника (внутреннее сопротивление r на рисунке) соизмеримо со входным сопротивлением приемника (R3 на рисунке), то эти резисторы будут действовать, как делитель напряжения. На приемник при этом будет поступать не полное напряжение источника U, а U1=U*R3/(r+R3). Если эта схема предназначена для измерения напряжения U, то она будет врать!

В следующих статьях планируется рассмотреть цепи с конденсаторами и индуктивностями.
Затем диоды, транзисторы и операционные усилители.

18.2 Проводники и изоляторы – College Physics

Резюме

  • Дайте определение проводника и изолятора, объясните разницу и приведите примеры каждого из них.
  • Опишите три способа зарядки объекта.
  • Объясните, что происходит с электрической силой по мере удаления от источника.
  • Определение поляризации.
Рисунок 1. В этом адаптере питания используются металлические провода и разъемы для передачи электричества от настенной розетки к портативному компьютеру.Проводящие провода позволяют электронам свободно перемещаться по кабелям, экранированным резиной и пластиком. Эти материалы действуют как изоляторы, которые не позволяют электрическому заряду выходить наружу. (Фото: Эван-Амос, Wikimedia Commons)

Некоторые вещества, такие как металлы и соленая вода, позволяют зарядам проходить сквозь них относительно легко. Некоторые электроны в металлах и подобных проводниках не связаны с отдельными атомами или участками материала. Эти свободных электронов могут двигаться через материал так же, как воздух движется через рыхлый песок.Любое вещество, имеющее свободные электроны и позволяющее относительно свободно перемещаться по нему заряду, называется проводником . Движущиеся электроны могут сталкиваться с неподвижными атомами и молекулами, теряя часть энергии, но они могут двигаться в проводнике. Сверхпроводники позволяют перемещать заряд без потери энергии. Соленая вода и другие подобные проводящие материалы содержат свободные ионы, которые могут проходить сквозь них. Ион — это атом или молекула, имеющие положительный или отрицательный (ненулевой) общий заряд.{23}} $ раз медленнее, чем в проводниках. Например, чистая вода и сухая поваренная соль являются изоляторами, тогда как расплавленная соль и соленая вода являются проводниками.

Рис. 2. Электроскоп — излюбленный инструмент на демонстрациях физики и в студенческих лабораториях. Обычно он состоит из листьев из золотой фольги, подвешенных к (проводящему) металлическому стержню, и изолирован от комнатного воздуха в контейнере со стеклянными стенками. (а) Положительно заряженную стеклянную палочку подносят к кончику электроскопа, притягивая электроны к вершине и оставляя положительный заряд на листьях.Словно заряды на свету отталкиваются гибкие золотые листья, разделяя их. (b) Когда стержень касается шарика, электроны притягиваются и передаются, уменьшая суммарный заряд стеклянного стержня, но оставляя электроскоп положительно заряженным. (c) Избыточные заряды равномерно распределяются в ножке и лепестках электроскопа после удаления стеклянной палочки.

На рис. 2 показан электроскоп, который заряжается при прикосновении к нему положительно заряженной стеклянной палочкой. Поскольку стеклянный стержень является изолятором, он должен фактически касаться электроскопа, чтобы передавать на него или от него заряд.(Обратите внимание, что дополнительные положительные заряды остаются на поверхности стеклянной палочки в результате натирания ее шелком перед началом эксперимента.) Поскольку в металлах движутся только электроны, мы видим, что они притягиваются к верхней части электроскопа. Там некоторые переносятся на положительный стержень на ощупь, оставляя электроскоп с чистым положительным зарядом.

Электростатическое отталкивание в листьях заряженного электроскопа разделяет их. Электростатическая сила имеет горизонтальную составляющую, которая приводит к раздвижению листьев, а также вертикальную составляющую, которая уравновешивается гравитационной силой.Точно так же электроскоп может быть заряжен отрицательно при контакте с отрицательно заряженным объектом.

Нет необходимости передавать избыточный заряд непосредственно объекту, чтобы зарядить его. На рис. 3 показан метод индукции , при котором заряд создается в близлежащем объекте без прямого контакта. Здесь мы видим две нейтральные металлические сферы, соприкасающиеся друг с другом, но изолированные от остального мира. Положительно заряженный стержень подносят к одному из них, притягивая отрицательный заряд к этой стороне, оставляя другой шар положительно заряженным.

Это пример наведенной поляризации нейтральных объектов. Поляризация — это разделение зарядов в объекте, который остается нейтральным. Если сферы теперь разделены (до того, как стержень будет оторван), каждая сфера будет иметь суммарный заряд. Обратите внимание, что объект, ближайший к заряженному стержню, получает противоположный заряд при индукционной зарядке. Обратите также внимание на то, что с заряженного стержня не снимается заряд, так что этот процесс можно повторить, не истощая запас избыточного заряда.

Другой метод индукционной зарядки показан на рис. 4. Нейтральный металлический шар поляризуется, когда к нему подносят заряженный стержень. Затем сфера заземляется, а это означает, что проводящий провод проходит от сферы к земле. Поскольку земля большая и большая часть земли является хорошим проводником, она может легко подавать или принимать избыточный заряд. В этом случае электроны притягиваются к сфере через провод, называемый заземляющим проводом, потому что он обеспечивает проводящий путь к земле.Заземление разрывается до того, как заряженный стержень удаляется, в результате чего остается сфера с избыточным зарядом, противоположным заряду стержня. Опять же, противоположный заряд достигается при зарядке индукцией, и заряженный стержень не теряет своего избыточного заряда.

Рис. 3. Индукционная зарядка. (а) Два незаряженных или нейтральных металлических шара соприкасаются друг с другом, но изолированы от остального мира. (b) Положительно заряженную стеклянную палочку подносят к сфере слева, притягивая к себе отрицательный заряд и оставляя другую сферу положительно заряженной.(c) Сферы разделяются до того, как стержень удаляется, тем самым разделяя отрицательный и положительный заряды. (d) Сферы сохраняют суммарные заряды после удаления индуцирующего стержня, даже если к ним не прикасался заряженный объект. Рис. 4. Индукционная зарядка с использованием заземления. а) К нейтральному металлическому шару подносят положительно заряженный стержень, который поляризует его. (b) Сфера заземлена, что позволяет электронам притягиваться из достаточного количества земли. (c) Нарушено соединение с землей.(d) Положительный стержень удаляется, оставляя сферу с индуцированным отрицательным зарядом. Рисунок 5. Как положительные, так и отрицательные объекты притягивают нейтральный объект, поляризуя его молекулы. а) Положительный объект, поднесенный к нейтральному изолятору, поляризует его молекулы. Происходит небольшой сдвиг в распределении электронов, вращающихся вокруг молекулы, при этом разноименные заряды приближаются, а одноименные отдаляются. Поскольку электростатическая сила уменьшается с расстоянием, возникает чистое притяжение.(b) Отрицательный объект создает противоположную поляризацию, но снова притягивает нейтральный объект. (c) Тот же эффект имеет место для проводника; поскольку разноименные заряды ближе, возникает чистое притяжение.

Нейтральные объекты могут притягиваться к любому заряженному объекту. Например, кусочки соломы, притянутые к полированному янтарю, нейтральны. Если провести пластиковой расческой по волосам, заряженная расческа может собрать нейтральные кусочки бумаги. На рис. 5 показано, как поляризация атомов и молекул в нейтральных объектах приводит к их притяжению к заряженному объекту.

Когда заряженный стержень подносится к нейтральному веществу, в данном случае к изолятору, распределение заряда в атомах и молекулах слегка смещается. Противоположный заряд притягивается к внешнему заряженному стержню, а одноименный отталкивается. Поскольку электростатическая сила уменьшается с расстоянием, отталкивание одноименных зарядов слабее, чем притяжение разноименных зарядов, и поэтому возникает чистое притяжение. Таким образом, положительно заряженная стеклянная палочка притягивает нейтральные кусочки бумаги, как и отрицательно заряженная резиновая палочка.Некоторые молекулы, например вода, являются полярными молекулами. Полярные молекулы имеют естественное или врожденное разделение зарядов, хотя в целом они нейтральны. Полярные молекулы особенно подвержены влиянию других заряженных объектов и проявляют более сильные поляризационные эффекты, чем молекулы с естественным однородным распределением заряда.

Проверьте свое понимание

Можете ли вы объяснить притяжение воды к заряженному стержню на рисунке ниже?

Рисунок 6.

Исследования PhET: Джон Траволтадж

Запускайте искры вместе с Джоном Траволтажем.Пошевелите ногой Джонни, и он подберет заряды с ковра. Поднесите руку к дверной ручке и избавьтесь от лишнего заряда.

Рисунок 7. Джон Траволтадж
  • Поляризация — это разделение положительных и отрицательных зарядов в нейтральном объекте.
  • Проводник — это вещество, которое позволяет заряду свободно течь через свою атомную структуру.
  • Диэлектрик удерживает заряд внутри своей атомной структуры.
  • Объекты с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а объекты с разными зарядами притягиваются.
  • Токопроводящий объект считается заземленным, если он соединен с Землей через проводник. Заземление позволяет передавать заряд в большой земной резервуар и обратно.
  • Объекты могут быть заряжены при контакте с другим заряженным объектом и получить такой же знак заряда.
  • Если объект временно заземлен, он может быть заряжен индукцией и получит заряд противоположного знака.
  • Положительные и отрицательные заряды поляризованных объектов сосредоточены в разных областях, что придает им несимметричный заряд.
  • Полярным молекулам присуще разделение зарядов.

Концептуальные вопросы

1: Эксцентричный изобретатель пытается левитировать, сначала поместив на себя большой отрицательный заряд, а затем поместив большой положительный заряд на потолок своей мастерской. Вместо этого, при попытке наложить на себя большой отрицательный заряд, с него слетает одежда. Объяснять.

2: Если вы зарядили электроскоп при контакте с положительно заряженным объектом, опишите, как вы могли бы использовать его для определения заряда других объектов.В частности, что сделали бы листочки электроскопа, если бы к его ручке поднесли другие заряженные предметы?

3: Когда стеклянный стержень трется о шелк, он становится положительным, а шелк отрицательным, но оба они притягивают пыль. Есть ли у пыли третий тип заряда, который притягивается как к положительному, так и к отрицательному? Объяснять.

4: Почему автомобиль всегда притягивает пыль сразу после полировки? (Обратите внимание, что автомобильный воск и автомобильные шины являются изоляторами.)

5: Опишите, как можно использовать положительно заряженный объект, чтобы придать другому объекту отрицательный заряд.{16}}$ протонов и чистый заряд 0,300 пКл. а) На сколько электронов меньше, чем протонов? б) Если вы соедините их в пары, какая часть протонов не будет иметь электронов?

3: Медный шарик весом 50,0 г имеет чистый заряд $латекса \boldsymbol{2,00 \;\mu \textbf{C}}$. Какая часть электронов меди была удалена? (Каждый атом меди имеет 29 протонов, а атомная масса меди равна 63,5.{12}} $ его атомов? (Сера имеет атомную массу 32.1.)

5: Сколько кулонов положительного заряда содержится в 4,00 кг плутония, если его атомная масса равна 244 и каждый атом плутония имеет 94 протона?

 

Глоссарий

свободный электрон
электрон, который может свободно уйти со своей атомной орбиты
проводник
материал, который позволяет электронам двигаться отдельно от их атомных орбит
изолятор
материал, который надежно удерживает электроны на их атомных орбитах
с заземлением
, когда проводник подключен к Земле, что позволяет заряду свободно течь в и из неограниченного резервуара Земли
индукция
процесс, при котором электрически заряженный объект, поднесенный к нейтральному объекту, создает заряд в этом объекте
поляризация
незначительное смещение положительных и отрицательных зарядов к противоположным сторонам атома или молекулы
электростатическое отталкивание
явление отталкивания двух объектов с одинаковыми зарядами

Решения

Проверьте свое понимание

Ответить

Молекулы воды поляризуются, придавая им слегка положительные и слегка отрицательные стороны.8 \;\textbf{C}}$

 

Проводник – определение, пример, проводники и изоляторы

Проводники определяются как материалы или вещества, которые позволяют электричеству течь через них. Кроме того, проводники позволяют передавать через них тепло. Примерами проводников являются металлы, тело человека, Земля и животные. Человеческое тело – сильный проводник. Таким образом, он предлагает путь без сопротивления от провода с током через тело для прохождения тока.У проводников есть свободные электроны на их поверхности, которые обеспечивают легкое прохождение тока. Это причина того, что электричество свободно передается по проводникам.

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Применение проводников

В некоторых аспектах проводники очень полезны. У них много реальных применений. Например;

  • Для проверки температуры тела обычно используется ртуть в термометре.

  • Алюминий находит применение в производстве фольги для консервирования пищевых продуктов.Он также используется в варочных сосудах, так как является хорошим проводником электричества и тепла.

  • Железо является распространенным материалом, используемым для отвода тепла в производстве автомобильных двигателей. Железная пластина состоит из стали, чтобы быстро поглощать тепло.

  • В автомобильных радиаторах проводники используются для отвода тепла от двигателя.

Изоляторы

Материалы или вещества, которые сопротивляются или не позволяют току проходить через них, являются изоляторами.Они, как правило, твердые по своей природе. Часто в ряде систем используются изоляторы, так как они не пропускают тепло. Удельное сопротивление — это свойство, которое отличает изоляторы от проводников.

 

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Хорошими примерами изоляторов являются дерево, ткань, стекло, слюда и кварц. Изоляторы обеспечивают защиту от огня, звука и, конечно же, от передачи электричества. Кроме того, изоляторы вообще не имеют свободных электронов.Это основное объяснение того, почему они не проводят электричество.

Примеры изоляторов

Некоторые примеры изоляторов перечислены ниже.

  • Стекло является самым прочным изолятором, поскольку оно имеет самое высокое удельное сопротивление.

  • Пластмасса является хорошим изолятором и используется для производства различных продуктов.

  • Резина обычно используется в производстве шин, огнеупорной одежды и тапочек.Потому что это изолятор.

Разница между проводниками и изоляторами

Давайте кратко рассмотрим основные различия между проводниками и изоляторами.

Проводники

Изоляторы

По проводнику легко течет ток.

Изолятор не пропускает через себя ток.

На поверхности проводников существует электрический заряд.

В изоляторах отсутствуют электрические заряды.

Проводники не накапливают энергию, если находятся в магнитном поле.

Изоляторы накапливают энергию, находясь в магнитном поле.

Теплопроводность проводника очень высока.

Теплопроводность изолятора очень низкая.

Сопротивление проводника очень низкое.

Сопротивление изолятора очень велико.

Медь, алюминий и ртуть являются некоторыми проводниками.

Дерево, бумага и керамика являются некоторыми изоляторами.

Проводники используются при изготовлении электрооборудования.

Изоляторы используются для изоляции электрооборудования в целях безопасности.

Что такое электрический проводник?

Если вам нужно дать простейшее определение электрических проводников, то это материалы, которые позволяют электричеству легко проходить через них. Если мы сравним два вида материалов и первый позволяет электричеству проходить через них легче, то говорят, что этот материал является сильным проводником электричества. Некоторые примеры проводников электричества:

  • 6
    • 1
    • 6
    • 6

      6

    • 6 графит
    • графит

    • Platinum

    • Water

    • 6 человек

    Электрический проводник позволяет легко проходить через него электрическим зарядам.Свойство проводников называется проводимостью «проводить» электричество. Такие материалы меньше противодействуют движению обвинений или «сопротивлению». Благодаря свободному движению электронов через них проводящие материалы обеспечивают легкий перенос заряда.

    Свойства электрического проводника

    В равновесных условиях проводник проявляет следующие свойства:

    • Движение электронов и ионов в них разрешено проводником.

    • Электрическое поле проводника равно нулю, что позволяет электронам проходить внутри него.

    • Плотность заряда проводника равна нулю.

    • Свободные заряды возникают только на поверхности проводника.

    • Оба конца проводника имеют одинаковый потенциал.

    Многие металлы являются сильными проводниками электричества. Изоляторы известны как пластиковое покрытие, покрывающее электрический проводник. Это защищает нас от поражения электрическим током.

    Заключение

    Таким образом, проводники являются важными объектами, имеющими множество применений.Проводник необходим из-за его свойства протекать электричество и тепло. Материалы, изготовленные из проводников и изоляторов, имеют различное применение.

    Токи и проводники | IOPSpark

    Электрическое сопротивление

    Электричество и магнетизм

    Токи и проводники

    Практическая деятельность для 14-16

    Практический класс

    Возможность для студентов открыть для себя материалы, которые будут контролировать ток.

    Аппаратура и материалы

    Для каждой студенческой группы

    • Элементы, 1,5 В, с держателями, 3 шт.
    • Лампа с держателем
    • Зажимы типа «крокодил», 2 шт.
    • Провода, 4 мм, 5 шт.
    • Разные материалы

    Здоровье и безопасность и технические примечания

    В современной конструкции сухих батарей используется стальной корпус, соединенный с положительным (выступающим) контактом.Отрицательное соединение представляет собой центр основания с кольцевым кольцом изолятора между ним и банкой. Некоторые держатели ячеек имеют зажимы, которые могут шунтировать изолятор, вызывая короткое замыкание . Это быстро разряжает элемент и может привести к его взрыву. Риск снижается при использовании малой мощности , хлоридно-цинковых элементов вместо высокой мощности , щелочных марганцевых.

    Ознакомьтесь с нашим стандартным руководством по охране труда и технике безопасности

    Прочие материалы могут включать:

    • Деревянная палка
    • Полоска бумаги
    • Лента медная
    • Нить нейлоновая
    • Алюминиевая фольга
    • Грифель карандаша (желательно мягкий)
    • Мелочи из студенческих карманов

    Процедура

    1. Подсоедините цепь, как показано на рисунке.
    2. По очереди вставляйте в цепь образцы из разных материалов, зажимая их между зажимами-крокодилами.
    3. Составьте списки тех, которые будут течь, и те, которые не будут.

    Учебные заметки

    • Это возможность предложить своим ученикам множество различных компонентов для изучения. Помимо перечисленных материалов, можно использовать диоды, светоизлучающие диоды (СИД), конденсаторы, двигатели и даже транзисторы.Тем не менее, разумно сначала протестировать доступные компоненты: определенный класс может очень быстро уничтожить запас слаботочных диодов!
    • Ток, проходящий через материал или компонент, можно определить по яркости лампы или измерить амперметром. Изменение проводимости материалов может быть записано. Включите материалы, которые имеют настолько низкую проводимость, что их можно условно назвать изоляторами, по крайней мере, для напряжения и чувствительности амперметра.
    • Вы могли бы поднять вопрос о «добросовестном тестировании». Дает ли этот метод справедливое сравнение между различными материалами? (Нет, образцы должны иметь одинаковые размеры для корректного сравнения.)

    Этот эксперимент был проверен на безопасность в феврале 2005 г.

    Определение проводника в физике, химии.

    Примеры кондуктора в следующих темах:

    • Проводники и поля в статическом равновесии

      • Проводники — это материалы, в которых могут свободно перемещаться заряды.
      • Например, если нейтральный проводник соприкасается со стержнем, содержащим отрицательный заряд, часть этого отрицательного заряда перейдет к проводнику в точке контакта.
      • После перераспределения зарядов проводник находится в состоянии электростатического равновесия.
      • Аналогичным образом, если проводник поместить в электрическое поле, заряды внутри проводника будут перемещаться до тех пор, пока поле не станет перпендикулярным поверхности проводника .
      • Таким образом, проводник становится поляризованным, при этом электрическое поле становится сильнее вблизи проводника , но распадается внутри него.
    • Потенциалы и заряженные проводники

      • Электрический потенциал внутри заряженного проводника равен нулю, но может быть рассчитан как ненулевое значение вне заряженного проводника .
      • Все точки внутри заряженного проводника испытывают электрическое поле, равное 0.
      • Это связано с тем, что силовые линии от зарядов на поверхности проводника одинаково противостоят друг другу.
      • Однако, если электрическое поле равно нулю во всех точках внутри проводника , электрический потенциал внутри проводника не обязательно равен нулю во всех точках того же проводника .
      • С другой стороны, для точек вне проводника потенциал отличен от нуля и может быть определен тем же уравнением в зависимости от поля и расстояния от проводника .
    • Проводники и изоляторы

      • По способности проводить ток материалы делятся на проводники и изоляторы.
      • Все материалы можно классифицировать как изоляторы или проводники на основе физического свойства, известного как удельное сопротивление.
      • Каждый проводник имеет предел мощности или количества тока, который он может нести.
      • Изоляторы
      • , как и проводники , имеют свои физические ограничения.
      • Этот провод состоит из медного сердечника (проводник ) и полиэтиленового покрытия (изолятор).
    • Электрические поля и проводники

      • Электрические проводники представляют собой материалы, в которых внутренние заряды могут свободно перемещаться.
      • Внутри заряженного проводника электрического поля нет.
      • Это связано с тем, что все заряды в таком проводнике будут симметрично противодействовать другим зарядам в проводнике , в результате чего суммарный результат будет равен 0.
      • Кривизна поверхности проводника позволяет увеличить концентрацию заряда.
      • Если поверхность проводника плоская, заряд будет распределен очень равномерно.
    • Идеальные проводники

      • Идеальный проводник существует только в мире теории.
      • Это связано с тем, что любое такое поле или поток, которые являются тангенциальными к поверхности проводника , также должны существовать внутри проводника , который по определению касается тангенциального поля или плотности в одной точке.
      • Плотность электрического потока по нормали к поверхности проводника равна поверхностной плотности заряда.
      • Это означает, что электрическое поле внутри идеального проводника равно 0,
      • Сравните проводимость и удельное сопротивление идеального проводника , комментируя наличие идеальных проводников в природе
    • Проводники

      • Проводник представляет собой материал, содержащий подвижные электрические заряды.
      • При описании проводников с использованием концепции зонной теории лучше всего сосредоточиться на проводниках , которые проводят электричество с помощью подвижных электронов.
      • Наиболее знакомые проводники металлические.
      • Silver — лучший проводник , но он дорогой.
      • Однако некоторые неметаллические материалы являются практичными электрическими проводниками , но не являются хорошими тепловыми проводниками .
    • Эффект Холла

      • Когда ток проходит по проводу, находящемуся в магнитном поле, на проводнике создается потенциал, поперечный току.
      • Эффект Холла — это явление, при котором разность потенциалов (называемая напряжением Холла) возникает на электрическом проводнике , поперечном электрическому току проводника , когда магнитное поле перпендикулярно току проводника .
      • Когда присутствует магнитное поле, не параллельное движению движущихся зарядов внутри проводника , на заряды действует сила Лоренца.
      • Коэффициент Холла (RH) является характеристикой материала проводника и определяется как отношение индуцированного электрического поля (Ey) к произведению плотности тока (jx) и приложенного магнитного поля (B):
      • Эффект Холла — довольно распространенное явление в физике, и он проявляется не только в проводниках , но и в полупроводниках, ионизированных газах и в квантовом спине среди других приложений.
    • Диэлектрики и их анализ

      • Пробой диэлектрика — это явление, при котором диэлектрик теряет способность изолировать и вместо этого становится проводником .
      • Пробой диэлектрика (показан на ) — это явление, при котором диэлектрик теряет свою способность изолировать и вместо этого становится проводником .
      • Диэлектрики обычно используются либо для изоляции проводников от изменяющейся внешней среды (например,например, в качестве покрытия для электрических проводов) или для изоляции проводников друг от друга (например, между пластинами плоского конденсатора).
      • Однако при определенных условиях материал, являющийся изолятором, может стать проводником .
      • Эта точка (минимальное напряжение, при котором изолятор становится проводником ) называется напряжением пробоя.
    • Количественная интерпретация ЭДС движения

      • В случае, когда петля из проводника движется в магнит, показанный на (а), магнитная сила, действующая на движущийся заряд в петле, определяется как $evB$ (сила Лоренца, e: заряд электрона).
      • «…… например, взаимное электродинамическое действие магнита и проводника .
      • Наблюдаемое здесь явление зависит только от относительного движения проводника и магнита, тогда как обычный взгляд проводит резкое различие между двумя случаями, в которых движется то одно, то другое из этих тел.
      • Ибо, если магнит находится в движении, а проводник покоится, то в окрестности магнита возникает электрическое поле с некоторой определенной энергией, производящее ток в местах расположения частей проводника .
      • Но если магнит неподвижен, а проводник движется, то в окрестности магнита не возникает никакого электрического поля.
    • Конденсатор с параллельными пластинами

      • Конденсатор с параллельными пластинами состоит из двух пластин проводника , каждая из которых соединена с проводами, отделенными друг от друга тонким пространством.
      • Это конденсатор, состоящий из двух пластин проводника , каждая из которых соединена с проводами, отделенными друг от друга тонким пространством.
      • Между ними может быть вакуум или диэлектрический материал, но не проводник .

    Необычная головоломка о том, что такое проводник в физике — Agora Seguros

    Среди них самая первая женщина-лауреат премии по физике за 55 десятилетий. Добавьте больше стен на арену, чтобы сделать игру более сложной. Пожертвуйте ее во всемирный научный фонд, чтобы продвигать дополнительные исследования в области исследований, отмеченных наградами каждого календарного года.

    Вдохновил на более всесторонние исследованияОни оказались не единственными.Давайте посмотрим на полую сферу и сделаем ее еще более интересной, включив в середину точечный заряд. Если вы ожидаете, что мне нужно будет ссылаться на всю литературу по таблицам и значениям, необходимым для различных размеров проводников, они должны быть доступны простым способом, помимо того, что мне придется копаться в программе.

    Есть несколько неметаллов, которые являются чрезвычайно хорошими проводниками электричества. Плохой проводник удаляют, и пластине из металлического сплава дают нагреться до верхней температуры диска T2.B. Проводник, как провод, соединяющий 2 места.

    Кастрюля — это экземпляр объекта, который одновременно является и проводником, и изолятором. Кроме того, оно обратно пропорционально проводимости, что означает, что при очень низком удельном сопротивлении вы получите высокую проводимость. Пятиполосные резисторы также имеют более широкий диапазон допусков.

    Достаточно двух измерений на каждой боковой проволоке. Величина зависит только от напряжения, зависит только от скорости движения магнита.Газовые лазеры являются наиболее часто используемыми лазерами.

    Бесчисленные области применения до сих пор полностью не исследованы. Другое устройство, в котором используется ряд этих принципов, — это клетка Фарадея. Стандартная иллюстрация относится к вычислительной технике.

    Если сегодня вы больше ничего не читаете, прочтите этот отчет о том, что такое проводник в физике

    Просто убедитесь, что вы делаете правильные преобразования. Эти 3 физика вместе с большим количеством сотрудников и сторонников создали действительно удивительное устройство, которое позволяет нам найти вселенную совершенно по-новому.С момента своего изобретения всего 60 лет назад лазеры проникли в бесчисленные сферы нашей жизни.

    Несколько ученых и организаций удостоены чести не один раз. Научная неграмотность в этой стране на самом деле является ужасной проблемой», — пояснил он. Эти совершенно бесплатные онлайн-тесты AP Physics C также могут помочь вам https://thi.ucsc.edu/call-grad-student-applications-ssrc-dissertation-proposal-development-program-2019/ разработать исключительный план обучения, раскрывая темы, на изучение которых вы, возможно, захотите посвятить время.

    Процедура создания индуцированного тока в замкнутой цепи или внутри катушки путем изменения магнитного поля, связанного с катушкой, называется электромагнитной индукцией. Также важно отметить, что результирующая не зависит от порядка добавления векторов. Кроме того, убедитесь, что единицы измерения согласованы друг с другом.

    Где найти, что такое проводник в физике

    Как следствие, он дает наиболее точный результат для текущей плотности носителей заряда.Несомненно, мы еще очень долго будем получать пользу от их работы. Потенциал в результате всего диска является интегралом вышеупомянутого выражения.

    Поскольку пятивалентная примесь увеличивает разнообразие свободных электронов, она известна как донорная примесь. Вода на вершине водопада сравнима с отрицательно заряженными электронами, а вода у основания водопада очень похожа на разряженные электроны. Повышение температуры также увеличит разнообразие фононов, генерируемых в материале.

    Это явление известно как сверхпроводимость, а вещество, которое ведет себя подобным образом, называется сверхпроводником. Исследование позволило оценить расположение атомов в кристаллических структурах. Другими словами, общее количество электронов не равно всему количеству протонов.

    Что такое дирижер в физике – заговор

    Это то, что подключается к остальной части цепи. Зарядка с помощью индукции Не требуется передавать дополнительный заряд непосредственно на объект как способ его зарядки.Как хорошо, что сегодня у нас есть автоматические выключатели!

    Его также можно использовать в качестве системы безопасности в банках и других подобных местах для оповещения правоохранительных органов. Здесь изменения будут противоположными. Было много людей, внесших конструктивный вклад.

    Опять же, конечный результат не зависит от порядка выполнения вычитания. Эти утверждения могут быть созданы о распределении и уровне магнитного поля. Найдите ценность настоящего I. 6.

    18.2 Проводники и изоляторы — Колледж физики

    Резюме

    • Дайте определение проводника и изолятора, объясните разницу и приведите примеры каждого из них.
    • Опишите три способа зарядки объекта.
    • Объясните, что происходит с электрической силой по мере удаления от источника.
    • Определение поляризации.
    Рисунок 1. В этом адаптере питания используются металлические провода и разъемы для передачи электричества от настенной розетки к портативному компьютеру.Проводящие провода позволяют электронам свободно перемещаться по кабелям, экранированным резиной и пластиком. Эти материалы действуют как изоляторы, которые не позволяют электрическому заряду выходить наружу. (Фото: Эван-Амос, Wikimedia Commons)

    Некоторые вещества, такие как металлы и соленая вода, позволяют зарядам проходить сквозь них относительно легко. Некоторые электроны в металлах и подобных проводниках не связаны с отдельными атомами или участками материала. Эти свободных электронов могут двигаться через материал так же, как воздух движется через рыхлый песок.Любое вещество, имеющее свободные электроны и позволяющее относительно свободно перемещаться по нему заряду, называется проводником . Движущиеся электроны могут сталкиваться с неподвижными атомами и молекулами, теряя часть энергии, но они могут двигаться в проводнике. Сверхпроводники позволяют перемещать заряд без потери энергии. Соленая вода и другие подобные проводящие материалы содержат свободные ионы, которые могут проходить сквозь них. Ион — это атом или молекула, имеющие положительный или отрицательный (ненулевой) общий заряд.{23}}[/latex] раз медленнее, чем в проводниках. Например, чистая вода и сухая поваренная соль являются изоляторами, тогда как расплавленная соль и соленая вода являются проводниками.

    Рис. 2. Электроскоп — излюбленный инструмент на демонстрациях физики и в студенческих лабораториях. Обычно он состоит из листьев из золотой фольги, подвешенных к (проводящему) металлическому стержню, и изолирован от комнатного воздуха в контейнере со стеклянными стенками. (а) Положительно заряженную стеклянную палочку подносят к кончику электроскопа, притягивая электроны к вершине и оставляя положительный заряд на листьях.Словно заряды на свету отталкиваются гибкие золотые листья, разделяя их. (b) Когда стержень касается шарика, электроны притягиваются и передаются, уменьшая суммарный заряд стеклянного стержня, но оставляя электроскоп положительно заряженным. (c) Избыточные заряды равномерно распределяются в ножке и лепестках электроскопа после удаления стеклянной палочки.

    На рис. 2 показан электроскоп, который заряжается при прикосновении к нему положительно заряженной стеклянной палочкой. Поскольку стеклянный стержень является изолятором, он должен фактически касаться электроскопа, чтобы передавать на него или от него заряд.(Обратите внимание, что дополнительные положительные заряды остаются на поверхности стеклянной палочки в результате натирания ее шелком перед началом эксперимента.) Поскольку в металлах движутся только электроны, мы видим, что они притягиваются к верхней части электроскопа. Там некоторые переносятся на положительный стержень на ощупь, оставляя электроскоп с чистым положительным зарядом.

    Электростатическое отталкивание в листьях заряженного электроскопа разделяет их. Электростатическая сила имеет горизонтальную составляющую, которая приводит к раздвижению листьев, а также вертикальную составляющую, которая уравновешивается гравитационной силой.Точно так же электроскоп может быть заряжен отрицательно при контакте с отрицательно заряженным объектом.

    Нет необходимости передавать избыточный заряд непосредственно объекту, чтобы зарядить его. На рис. 3 показан метод индукции , при котором заряд создается в близлежащем объекте без прямого контакта. Здесь мы видим две нейтральные металлические сферы, соприкасающиеся друг с другом, но изолированные от остального мира. Положительно заряженный стержень подносят к одному из них, притягивая отрицательный заряд к этой стороне, оставляя другой шар положительно заряженным.

    Это пример наведенной поляризации нейтральных объектов. Поляризация — это разделение зарядов в объекте, который остается нейтральным. Если сферы теперь разделены (до того, как стержень будет оторван), каждая сфера будет иметь суммарный заряд. Обратите внимание, что объект, ближайший к заряженному стержню, получает противоположный заряд при индукционной зарядке. Обратите также внимание на то, что с заряженного стержня не снимается заряд, так что этот процесс можно повторить, не истощая запас избыточного заряда.

    Другой метод индукционной зарядки показан на рис. 4. Нейтральный металлический шар поляризуется, когда к нему подносят заряженный стержень. Затем сфера заземляется, а это означает, что проводящий провод проходит от сферы к земле. Поскольку земля большая и большая часть земли является хорошим проводником, она может легко подавать или принимать избыточный заряд. В этом случае электроны притягиваются к сфере через провод, называемый заземляющим проводом, потому что он обеспечивает проводящий путь к земле.Заземление разрывается до того, как заряженный стержень удаляется, в результате чего остается сфера с избыточным зарядом, противоположным заряду стержня. Опять же, противоположный заряд достигается при зарядке индукцией, и заряженный стержень не теряет своего избыточного заряда.

    Рис. 3. Индукционная зарядка. (а) Два незаряженных или нейтральных металлических шара соприкасаются друг с другом, но изолированы от остального мира. (b) Положительно заряженную стеклянную палочку подносят к сфере слева, притягивая к себе отрицательный заряд и оставляя другую сферу положительно заряженной.(c) Сферы разделяются до того, как стержень удаляется, тем самым разделяя отрицательный и положительный заряды. (d) Сферы сохраняют суммарные заряды после удаления индуцирующего стержня, даже если к ним не прикасался заряженный объект. Рис. 4. Индукционная зарядка с использованием заземления. а) К нейтральному металлическому шару подносят положительно заряженный стержень, который поляризует его. (b) Сфера заземлена, что позволяет электронам притягиваться из достаточного количества земли. (c) Нарушено соединение с землей.(d) Положительный стержень удаляется, оставляя сферу с индуцированным отрицательным зарядом. Рисунок 5. Как положительные, так и отрицательные объекты притягивают нейтральный объект, поляризуя его молекулы. а) Положительный объект, поднесенный к нейтральному изолятору, поляризует его молекулы. Происходит небольшой сдвиг в распределении электронов, вращающихся вокруг молекулы, при этом разноименные заряды приближаются, а одноименные отдаляются. Поскольку электростатическая сила уменьшается с расстоянием, возникает чистое притяжение.(b) Отрицательный объект создает противоположную поляризацию, но снова притягивает нейтральный объект. (c) Тот же эффект имеет место для проводника; поскольку разноименные заряды ближе, возникает чистое притяжение.

    Нейтральные объекты могут притягиваться к любому заряженному объекту. Например, кусочки соломы, притянутые к полированному янтарю, нейтральны. Если провести пластиковой расческой по волосам, заряженная расческа может собрать нейтральные кусочки бумаги. На рис. 5 показано, как поляризация атомов и молекул в нейтральных объектах приводит к их притяжению к заряженному объекту.

    Когда заряженный стержень подносится к нейтральному веществу, в данном случае к изолятору, распределение заряда в атомах и молекулах слегка смещается. Противоположный заряд притягивается к внешнему заряженному стержню, а одноименный отталкивается. Поскольку электростатическая сила уменьшается с расстоянием, отталкивание одноименных зарядов слабее, чем притяжение разноименных зарядов, и поэтому возникает чистое притяжение. Таким образом, положительно заряженная стеклянная палочка притягивает нейтральные кусочки бумаги, как и отрицательно заряженная резиновая палочка.Некоторые молекулы, например вода, являются полярными молекулами. Полярные молекулы имеют естественное или врожденное разделение зарядов, хотя в целом они нейтральны. Полярные молекулы особенно подвержены влиянию других заряженных объектов и проявляют более сильные поляризационные эффекты, чем молекулы с естественным однородным распределением заряда.

    Проверьте свое понимание

    Можете ли вы объяснить притяжение воды к заряженному стержню на рисунке ниже?

    Рисунок 6.

    Исследования PhET: Джон Траволтадж

    Запускайте искры вместе с Джоном Траволтажем.Пошевелите ногой Джонни, и он подберет заряды с ковра. Поднесите руку к дверной ручке и избавьтесь от лишнего заряда.

    Рисунок 7. Джон Траволтадж
    • Поляризация — это разделение положительных и отрицательных зарядов в нейтральном объекте.
    • Проводник — это вещество, которое позволяет заряду свободно течь через свою атомную структуру.
    • Диэлектрик удерживает заряд внутри своей атомной структуры.
    • Объекты с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а объекты с разными зарядами притягиваются.
    • Токопроводящий объект считается заземленным, если он соединен с Землей через проводник. Заземление позволяет передавать заряд в большой земной резервуар и обратно.
    • Объекты могут быть заряжены при контакте с другим заряженным объектом и получить такой же знак заряда.
    • Если объект временно заземлен, он может быть заряжен индукцией и получит заряд противоположного знака.
    • Положительные и отрицательные заряды поляризованных объектов сосредоточены в разных областях, что придает им несимметричный заряд.
    • Полярным молекулам присуще разделение зарядов.

    Концептуальные вопросы

    1: Эксцентричный изобретатель пытается левитировать, сначала поместив на себя большой отрицательный заряд, а затем поместив большой положительный заряд на потолок своей мастерской. Вместо этого, при попытке наложить на себя большой отрицательный заряд, с него слетает одежда. Объяснять.

    2: Если вы зарядили электроскоп при контакте с положительно заряженным объектом, опишите, как вы могли бы использовать его для определения заряда других объектов.В частности, что сделали бы листочки электроскопа, если бы к его ручке поднесли другие заряженные предметы?

    3: Когда стеклянный стержень трется о шелк, он становится положительным, а шелк отрицательным, но оба они притягивают пыль. Есть ли у пыли третий тип заряда, который притягивается как к положительному, так и к отрицательному? Объяснять.

    4: Почему автомобиль всегда притягивает пыль сразу после полировки? (Обратите внимание, что автомобильный воск и автомобильные шины являются изоляторами.)

    5: Опишите, как можно использовать положительно заряженный объект, чтобы придать другому объекту отрицательный заряд.{16}}[/latex] протонов и суммарный заряд 0,300 пКл. а) На сколько электронов меньше, чем протонов? б) Если вы соедините их в пары, какая часть протонов не будет иметь электронов?

    3: Медный шар массой 50,0 г имеет чистый заряд [латекс]{2,00 \;\mu \text{C}}[/latex]. Какая часть электронов меди была удалена? (Каждый атом меди имеет 29 протонов, а атомная масса меди равна 63,5.)

    4: Какой суммарный заряд вы придали бы 100-граммовому куску серы, если бы добавили дополнительный электрон к 1 дюйму [латекса]{10^{12}}[/латекс] его атомов? (Сера имеет атомную массу 32.1.)

    5: Сколько кулонов положительного заряда содержится в 4,00 кг плутония, если его атомная масса равна 244 и каждый атом плутония имеет 94 протона?

     

    Глоссарий

    свободный электрон
    электрон, который может свободно уйти со своей атомной орбиты
    проводник
    материал, который позволяет электронам двигаться отдельно от их атомных орбит
    изолятор
    материал, который надежно удерживает электроны на их атомных орбитах
    с заземлением
    , когда проводник подключен к Земле, что позволяет заряду свободно течь в и из неограниченного резервуара Земли
    индукция
    процесс, при котором электрически заряженный объект, поднесенный к нейтральному объекту, создает заряд в этом объекте
    поляризация
    незначительное смещение положительных и отрицательных зарядов к противоположным сторонам атома или молекулы
    электростатическое отталкивание
    явление отталкивания двух объектов с одинаковыми зарядами

    Решения

    Проверьте свое понимание

    Ответить

    Молекулы воды поляризуются, придавая им слегка положительные и слегка отрицательные стороны.8 \;\text{C}}[/латекс]

     

    Проводники — обзор | ScienceDirect Topics

    X Металлизация и контакты

    Проводники должны быть нанесены и нанесены на интегральную схему, чтобы действовать как электроды затвора в полевых транзисторах, соединять устройства на микросхеме и обеспечивать связь микросхемы с внешним миром. В современных ИС используется несколько слоев металлов, что позволяет увеличить плотность компонентов на кристалле, а также уменьшить путь прохождения сигнала, тем самым увеличивая быстродействие устройства.В качестве проводников в интегральных схемах используются различные чистые металлы (Al, Cu, Au, Ti, W, Pb, Sn), сплавы (Al—Cu, TiW) и соединения (силициды и нитриды металлов). В идеале они должны удовлетворять ряду требований, многие из которых противоречивы. Они должны обладать высокой проводимостью, легко наноситься, устойчивы к коррозии, легко травиться, стабильны, способны выдерживать высокие температуры и прилипать к подложке.

    Металлы в ИС чаще всего используются для контактных материалов и межсоединений.Обычно используемые контактные материалы включают силициды, Ti, Cr и Ta. Контактный материал должен быть способен восстанавливать собственные оксиды на подложке, чтобы обеспечить воспроизводимый контакт. Контактные слои обычно являются первым слоем в многослойной металлизации и поэтому должны обладать отличной адгезией к подложке. Наиболее распространенным металлом межсоединений, используемым в настоящее время для ИС, является алюминий или смеси алюминия с кремнием и/или медью. Медь часто является предпочтительным межкомпонентным соединением для многих упаковочных приложений, а также становится все более распространенным для межсоединений.Поликристаллический кремний сам по себе или с силицидом металла часто используется в качестве электрода затвора, потому что, в отличие от алюминия, его можно нагревать до высокой температуры без неблагоприятного воздействия на кремниевую подложку. Вольфрамовая металлизация также используется в приложениях, где требуются огнеупорные свойства или в ситуациях, когда необходимо покрытие ступеней или заполнение отверстий. Однако эти материалы не лишены недостатков, и во многих случаях их заменяют тугоплавкими металлами и соединениями.

    Возможны два типа контактов металл-полупроводник: выпрямительный и омический.Выпрямительный контакт, также называемый диодом Шоттки, может быть включен в конструкцию устройства как активный элемент схемы. Металл действует как бесконечный источник дырок и электронов. Следовательно, при сближении металла и полупроводника на границе раздела образуется переход p n . Как и в любом диоде, ток течет только в одном направлении. Выпрямляющее поведение можно устранить путем сильного легирования полупроводника в области контакта перед металлизацией. Результат называется омическим контактом, который позволяет току легко течь в обоих направлениях.

    Металлы наносят несколькими методами, основными из которых являются CVD и физическое осаждение из паровой фазы (PVD) (т. е. испарение и распыление). Рост пленки с помощью CVD обсуждается в разделе VIII. Вольфрам, осажденный с использованием смеси WF 6 и H 2 , является одним из примеров. Физическое осаждение из паровой фазы, пожалуй, самая популярная группа методов осаждения. При испарении источник осаждаемого металла нагревается при низком давлении, 10 -6 торр или ниже. Источники испарения могут быть нагреты методами сопротивления, радиочастотной индукции или электронным лучом.Низкое давление требуется для уменьшения загрязнения поверхности, а также для испарения металла. Даже при миллионной доле торра частицы окружающего газа падают на подложку со скоростью около 1 монослоя в секунду. В некоторых приложениях это может быть значительным источником загрязнения. Как и в CVD, морфология и свойства осаждаемой пленки зависят от температуры подложки и скорости, с которой испаряющиеся атомы ударяются о поверхность.

    Напыление проводят в плазме (тлеющем разряде), обычно при более высоком давлении, чем при плазменном травлении, около 0.001–0,1 торр. В большинстве случаев газ является одним из благородных газов, наиболее популярным из которых является аргон. Наносимый материал, называемый мишенью, помещается на катод. Положительные ионы, генерируемые плазмой, ударяются о поверхность с энергией, достаточной для удаления или распыления атомов мишени. Эти атомы осаждаются по всей внутренней части камеры, включая подложку, которая обычно образует анод. Катодное смещение, температура мишени, состав газа и давление определяют скорость распыления. Смещение подложки и температура определяют морфологию пленки и скорость осаждения.Напыление также можно проводить в реакционноспособной среде, такой как смесь аргона и азота. Например, распыление титана газообразным азотом приводит к образованию пленки нитрида титана.

    Для межсоединений, где необходимо металлическое заполнение контактного отверстия с высоким соотношением сторон, можно использовать метод, называемый коллимацией. Благодаря использованию сотовой структуры, ограничивающей телесный угол между мишенью и подложкой, поток атомов металла, падающих на пластину, ограничивается потоком атомов металла, преимущественно в нормальном направлении.Эти направленные виды имеют лучшую заполняющую способность, чем их неколлимированные аналоги. Аналогичный эффект можно получить, увеличив проекционное расстояние между мишенью и подложкой без коллиматора. Как коллимация, так и увеличение проекционного расстояния приводят к снижению скорости осаждения на пластине и увеличению количества, осажденного на коллиматоре или стенках камеры. В обоих случаях требуется частая очистка инструмента. Дальнейшее улучшение способности заполнения отверстий может быть получено с помощью формы PVD, называемой ионизированным PVD.Ионизация атомов металла и применение высокочастотного смещения к подложке приводит к более направленному заполнению.

    В последние годы медная металлизация стала возможной заменой алюминиевой. Из-за более высокой проводимости медь предлагает потенциал для увеличения скорости устройства и меньших размеров проводов по сравнению с алюминием. Медь может быть нанесена гальванопокрытием, тем же методом, который используется при производстве упаковки.

    С многоуровневой металлизацией, используемой в ИС, наблюдались различные проблемы, включая ступенчатое покрытие, бугорки, растворимость кремния и миграцию атомов из-за механического или электрического напряжения.Большинство проблем с металлизацией было решено с помощью материалов или структурных изменений (или того и другого). Плохое покрытие ступеней часто наблюдается при использовании пленок PVD. Проблемы покрытия ступеней были решены за счет сведения к минимуму топографии и использования таких процессов, как CVD, которые обеспечивают улучшенное покрытие ступеней. Бугорки представляют собой выступы металлизации, вызванные различиями в коэффициентах теплового расширения между металлической пленкой и кремниевой подложкой. Добавление легирующих элементов, таких как медь, и многослойная металлизация уменьшили склонность к образованию бугров.Причина проблемы растворимости кремния заключается в том, что при нагревании кремний в контактных областях растворяется в алюминии и диффундирует вдоль линии металла. При охлаждении кремний осаждается. Ямки травления образуются в нижележащем кремнии и заполняются алюминием, вызывая короткое замыкание металла на подложку. Одним из способов минимизировать эту проблему является использование для металлизации кремний-алюминиевой смеси. Однако, поскольку растворимость увеличивается с повышением температуры, всегда происходит некоторое растворение и осаждение кремния при изменении температуры.Существует практический верхний предел около 500 °C для пластин, когда присутствует алюминий. Второй и распространенный метод снижения растворимости состоит в том, чтобы ввести один или несколько «барьерных слоев» между кремнием и алюминием. Для этой цели использовались как силициды, так и смеси титана с вольфрамом.

    При проверке надежности наблюдаются дефекты электромиграции. Ток, протекающий по тонким линиям алюминия, вызывает миграцию атомов вдоль границ зерен. Небольшие изменения толщины линии усиливаются, что приводит к появлению пустот или отверстий в металлических линиях.Атомы, покидающие пустоты, накапливаются, образуя металлические холмы. В конечном итоге следствием является обрыв или короткое замыкание и отказ устройства. Одним из методов минимизации электромиграции является введение небольшого количества меди в алюминий. Медь, по-видимому, «закупоривает» границы зерен, уменьшая миграцию. Миграция напряжения похожа на электромиграцию, за исключением того, что движущей силой является механическое напряжение, а не ток. Легирование медью также снижает восприимчивость к миграции напряжений.

    При использовании нескольких слоев металлов разные уровни соединяются отверстиями (переходными отверстиями), образованными через межуровневые диэлектрические материалы. Для этих межсоединений часто используется вольфрам. Эти области изоляции могут быть неорганическими материалами, такими как диоксид кремния или нитрид кремния, органическим материалом или их комбинациями. Наиболее популярным классом органических изоляторов являются полиимиды. Доступно несколько различных видов полиимидов, но все они нерастворимы, устойчивы к относительно высоким температурам (около 400 °C) и непроницаемы для водяного пара.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.